地球被称为“水行星”毫不夸张。这种由一个氧原子和两个氢原子组成的简单分子覆盖了地球表面近四分之三的面积；它占生物体重量的70%以上。
水表现出一系列独特的特性，使其成为全球气候的稳定因素和生命本身的关键。海洋可以储存大量的热量，因为使水温升高一度需要大量的热量。与其他液体在冷却时收缩不同，水在摄氏四度以下会膨胀，因此冰的密度较低，漂浮在液态水之上——起到绝缘层的作用，为下方的生命提供了有利的栖息地。水巨大的携热能力使大气和洋流能够平衡全球温度。它的极性和导电性使其成为进行新陈代谢的化学反应的理想溶剂。
然而，这些卓越特性的基础仍然是一个谜。事实证明，答案在于将水分子中的原子结合在一起的键与将水分子组结合在一起的弱得多的键（称为氢键）之间的相互作用。尽管氢键相对微弱，但它们在水中非常丰富，因此在决定水的特性方面起着重要作用。
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在一篇发表在1月18日《物理评论快报》上的论文中，一个国际物理学合作小组证明了这两种类型的键都遵循相同的规则——量子力学，即物质同时以粒子和波的形式存在的奇怪状态。他们证明了水中微弱的氢键部分地从H2O分子中较强的共价键中获得其特性。
证明波林 |
氢键曾经被认为与强键截然不同。虽然强σ键或共价键可以用新的量子力学理论来解释，但氢键被视为带电粒子之间纯粹的静电吸引力，并根据经典物理学的原理进行解释。
但是，在 1930 年代，著名的化学家和诺贝尔奖获得者莱纳斯·鲍林提出了一个长期的争议，他认为水分子之间的氢键会受到水分子内 σ 键的影响，并部分地具有这些键的特性。鲍林的观点是，σ 和氢键位点上的电子波会发生某种程度的重叠，因此这些电子将变得无法区分。因此，氢键不能完全被描述为静电键。
直到一组研究人员——包括贝尔实验室的埃里克·艾萨克斯、唐纳德·哈曼和菲尔·普拉茨曼；现在在东北大学的贝尔纳多·巴比里尼；欧洲同步辐射装置 (ESRF) 的阿拜·舒克拉；以及加拿大国家研究委员会的克里斯托弗·A·图尔克——设计了一个巧妙的实验，鲍林的理论才得到检验。他们在法国格勒诺布尔的 ESRF 工作，用强大的 X 射线轰击冰，并研究当 X 射线光子从氢键中的电子上反弹时产生的散射模式。
研究人员的结果证实了鲍林的观点。这些发现将使研究人员能够改进关于水和许多生物结构（如 DNA，它们具有氢键）的理论。它们还可能帮助纳米技术人员设计更先进的自组装材料，其中许多材料严重依赖氢键来正确地组装在一起。新的实验技术也可能帮助其他研究人员探究缺乏氢键的材料的特性，例如超导体和半导体，他们希望在其中操纵先进材料的量子力学行为。