【摘要】："水的結(jié)構(gòu)是什么"這是Science雜志在創(chuàng)刊125周年的特刊中提出的21世紀(jì)125個(gè)亟待解決的科學(xué)前沿問題之一.水的結(jié)構(gòu)之所以如此復(fù)雜,其中一個(gè)很重要的原因就是源于水分子之間的氫鍵相互作用.人們通常認(rèn)為氫鍵的本質(zhì)為經(jīng)典的靜電相互作用,然而由于氫原子核質(zhì)量很小,其量子效應(yīng)在室溫下都會(huì)非常明顯,氫核的量子隧穿和量子漲落將減弱經(jīng)典勢壘對氫原子的限制,從而增強(qiáng)或減弱氫鍵相互作用強(qiáng)度,改變氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型,甚至影響氫鍵體系的宏觀物性.該綜述首先概述了核量子效應(yīng)的起因和表現(xiàn),然后介紹核量子效應(yīng)研究的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段,以及新興的基于掃描隧道顯微鏡和非接觸式原子力顯微鏡的高分辨成像和譜學(xué)技術(shù).然后,本文總結(jié)了水中氫核量子隧穿和量子漲落的最新研究進(jìn)展,尤其是深入到原子尺度的核量子效應(yīng)研究,最后對核量子效應(yīng)研究所面臨的問題和挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展方向進(jìn)行評述.
[Abstract]:"what is the structure of Water" is one of the 125 scientific frontier problems that Science magazine put forward in the 125th Anniversary issue of the 21st century. One of the most important reasons why the structure of water is so complex is due to the hydrogen bond interaction between water molecules. The nature of hydrogen bonds is generally considered to be a classical electrostatic interaction. However, due to the small mass of hydrogen atoms, the quantum effects are very obvious at room temperature. The quantum tunneling and fluctuation of hydrogen nuclei will weaken the limitation of the classical barrier on hydrogen atoms, enhance or weaken the strength of hydrogen bond interaction, change the configuration of hydrogen bond networks, and even affect the macroscopic physical properties of hydrogen bond systems. This review first summarizes the causes and manifestations of nuclear quantum effects and then introduces the traditional experimental methods for the study of nuclear quantum effects and the emerging high-resolution imaging and spectroscopic techniques based on scanning tunneling microscopy and contactless atomic force microscopy. Then, this paper summarizes the latest research progress of hydrogen quantum tunneling and quantum fluctuations in water, especially the nuclear quantum effects at atomic scale. Finally, the problems and challenges faced by the nuclear quantum effect research and its future development are reviewed.
【作者單位】： 北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心 量子物質(zhì)協(xié)同創(chuàng)新中心
【基金】：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFA0300901,2017YFA0205003) 國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(11634001);國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(11290162/A040106)資助 國家杰出青年科學(xué)基金(21725302)
【分類號】：O413

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本文編號：2403477