是什么定义了物质的“新形式”？一项研究引发了这个问题，该研究显示，熟悉的弯曲水分子，其质子离域分布在环周围不少于六个等效位置，平均消除了其偶极矩。田纳西州橡树岭国家实验室的 Alexander Kolesnikov 及其同事称之为“水的新形式”。
这听起来几乎令人难以置信地奇怪。但事实上，Kolesnikov 及其同事报告的基本现象已被认识数十年。他们使用中子散射来探测水分子，这些水分子在超冷条件下（约 5K）被困在绿柱石 (Be3Al2Si6O18) 晶体的分子尺度通道中，通道具有六边形横截面，并在不同方向之间进行量子隧穿。这种隧穿意味着在测量的超冷条件下，分子的最低能量状态是通道六重对称性中方向的混合。
这种基态通过隧穿跃迁分裂成不同的能级，研究人员观察到跃迁，这表现为中子谱中的共振能量峰，这是由于中子与水分子交换能量。Kolesnikov 说：“这些结果表明，低温下绿柱石中的水具有不寻常的形状，质子离域分布在六个位置。”
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俄罗斯的一个团队此前提出，量子隧穿可能解释绿柱石纳米通道中水太赫兹频率光谱。Kolesnikov 说，他和他的同事决定使用中子研究该系统，因为他的合作者 Larry Anovitz 手头有大量的绿柱石单晶。他们早先使用中子散射和介电谱的研究暗示，水分子的重新定向可能受到某种能垒的阻碍，但这两种技术给出了冲突的结果。
隧穿跃迁
现在，通过考虑中子谱随温度的变化方式，隧穿行为变得明显。研究人员识别为隧穿跃迁的光谱峰随着温度升高而变弱，这与这种量子效应的预期一致，但与普通振动跃迁应看到的相反。在足够高的温度下，水分子开始自由旋转，量子隧穿消失。Kolesnikov 及其同事表示，他们的从头算量子计算支持这种解释。
自 1970 年代以来，人们就已知在低温下小分子中氢原子的旋转量子隧穿现象——其中分子实际上隧穿过阻碍其旋转的能垒——并且先前已使用中子散射观察到甲烷和氨等分子。这是一种特别好的研究这种效应的技术，因为与电子不同，中子很容易被氢原子散射。
Kolesnikov 及其同事研究的案例中，旋转隧穿不寻常之处在于，这种特定的几何形状在势阱内产生了分子的不等效方向。相比之下，氨分子围绕其三重对称轴旋转势垒隧穿时，在每个方向上看起来都相同。
根据研究人员的量子模拟，绿柱石通道内水不同方向的混合抵消了水分子通常由于其“V”形而拥有的偶极矩（氧原子上的电子密度高于氢原子）。这也导致了整个分子质心的偏移。
然而，其他研究人员可能希望在接受这些说法之前仔细审查这些计算。而这是否真正符合“水的新相”的资格似乎可能会引发一些争论。毕竟，除了在几个能量等效状态之间切换外，分子本身并没有改变。伦敦大学学院的 Angelos Michaelides 说：“在我看来，这看起来只是量子力学的实现，与水在相同的势能面上在较高温度下经典旋转时所做的事情没有太大不同。”
本文经《Chemistry World》许可转载。 该文章于 2016 年 4 月 28 日首次发表。