为了使高效的氢能源技术成为现实——从通过电解产生氢气到下一代化学燃料电池——科学家需要确切地了解单个氢原子如何在水中移动。
一个中性的水分子包含两个氢原子和一个氧原子键合而成，整个结构弯曲，使分子具有部分正极和部分负极，就像磁铁一样。如果您可以放大一杯水，您会看到数万亿个这样的分子，以及一些失去电子的过量单个氢原子（换句话说，只是质子）。 200年来，研究人员一直推测，这些质子通过附着到最近的分子并踢掉已经键合在那里的质子之一，从一个水分子跳到另一个水分子。然后，这个质子与下一个邻居结合。现在，北京的一个科学家团队首次在显微镜下对这些粒子进行了成像，有助于阐明这些跳跃是如何发生的。
模型预测，这个过程最常以两种方式发生。 一种方式是，质子直接与单个水分子结合，将其从中性分子变成正离子。三个周围的中性水分子定向，使其部分负极稳定这种电荷。另一种选择是，额外的质子位于两个中性水分子的负极之间，以便每个分子分担正电荷的负担。
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研究人员能够通过原子力显微镜验证这些方向——这是一种通过在表面上的凸起上追踪专用针头的纳米级尖端来生成图像的技术。利用这种仪器，北京师范大学的化学家郭晶和她的同事们对冷冻在金属片上的分子级水网络进行了成像，并揭示了额外的质子如何改变该网络。他们的工作发表在《科学》杂志上。
需要极其灵敏的测量才能区分两种水构型。“质子沿氢键的位置仅相差约 20 皮米，”郭说——不到氢原子本身长度的一半。“经过长期努力，我们非常非常兴奋能够弄清楚其背后的图片。”
该团队发现，这两种构型以不同的频率和比例出现，具体取决于水冷冻到的金属种类。他们还利用电力迫使水在不同的设置之间来回翻转。“他们能够[直接]观察到这些事物，真是令人震惊，”德国帕德博恩大学的理论化学家托马斯·库恩说，他没有参与这项工作。“它为研究[氢气产生]背后的机制打开了大门，”他说。“也许由此会产生好东西。”