研究人员发现了水分子的新状态

中子散射和计算模型揭示了水分子在极端限制下的独特和意外行为，这是任何已知的气体，液体或固体状态所无法比拟的。

在“ 物理评论快报”上发表的一篇论文中，能源部橡树岭实验室的研究人员描述了一种新的隧道状态，这种状态的水分子被限制在矿物绿柱石的六边形超小通道中 - 超过5埃。埃为1/100亿分之一米，单个原子的直径通常约为1埃。

通过在ORNL的Spallation Neutron Source和英国的Rutherford Appleton实验室进行的实验，这一发现成为可能，展示了岩石，土壤和细胞壁中超限水的特征，科学家预测这些特征将引起许多学科的兴趣。

ORNL的化学和工程材料部门的主要作者亚历山大·科列斯尼科夫说：“在低温下，这种隧道水通过分离电位壁呈现出量子运动，这在经典世界中是被禁止的。” “这意味着水分子的氧和氢原子'离域'，因此同时存在于通道中所有六个对称等效位置。这是仅存在于量子力学中并且与我们的日常经验无关的那些现象之一。“

ORNL研究中显示的水的隧道状态的存在应该有助于科学家更好地描述水在高度受限的环境中的热力学性质和行为，例如水扩散和细胞膜通道，碳纳米管和沿晶界的运输。在许多地质环境中的矿物界面。

ORNL的共同作者劳伦斯·阿诺维茨指出，这一发现很容易激发材料，生物，地质和计算科学家之间的讨论，因为他们试图解释这种现象背后的机制并理解它如何应用于他们的材料。

“这一发现代表了对水的行为以及水利用能源的方式的新的基本理解，”Anovitz说。“认为你的海蓝宝石或祖母绿环中的水分子 - 蓝绿色的绿柱石 - 正经历着我们在实验中看到的相同的量子隧道，这也很有趣。”

虽然先前的研究已经观察到其他系统中的原子氢隧穿，但ORNL发现水表现出这种隧道行为是前所未有的。中子散射和计算化学实验表明，在隧道状态下，水分子在环周围离域，因此水分子呈现出不寻常的双顶状形状。

“从中子实验直接获得的水质子的平均动能是它们在几乎绝对零度温度下运动的量度，比在散装液体或固体水中低约30%，”Kolesnikov说。“这完全不同于基于振动模式能量的公认模型。”

华盛顿湖技术学院和华盛顿大学博塞尔分校的Narayani Choudhury首先进行的模拟表明，隧道行为与绿柱石结构的振动动力学有关。

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