“水的结构是什么？”
2005年，国际著名学术期刊《科学》杂志在创刊125周年的特刊中，将这一问题列为21世纪最具挑战性的125个科学问题之一。
2016年4月，来自中国的科学家从全新的角度为我们诠释了水的奥秘，在国际上首次揭示了水的核量子效应，为解开水的结构之谜迈出了重要一步。
水的奥秘
对多数人来说，水就是流动的液体。但在微观层面上，水的结构一直是个谜。
水的结构之所以如此复杂，其中一个很重要的原因就是源于水分子之间的氢键相互作用。
水分子之间是通过氢键连接而形成的一个复杂网络状结构。氢键不同于一般的化学键，它的结构条件比较灵活，在常温下容易引起反应和变化，并具有动态可逆的特点，对外部环境的刺激有着独特的响应特性，这就使得水的结构处于不断的动态变化之中。
也正因如此，到目前为止，还没有任何研究能够准确地描述出一个水分子周围到底有几个水分子与之形成氢键。
氢键也因而被认为是揭示水结构的关键一环。一般认为，氢键主要是源于经典的静电相互作用。但中国科学院院士、北京大学教授王恩哥认为，氢键之间可能还存在着量子效应。
“氢原子核质量很小，与其他元素相比，在处理的过程上除要对电子波函数化外，对核也要考虑波函数化，这就是所谓的‘全量子化’。全量子效应对于理解氢键的本质，最终回答水的结构问题起着非常关键的作用。”王恩哥表示。
那么，氢核的量子效应对氢键相互作用到底有多大影响？或者说，氢键的量子成分究竟有多大？这些问题对于理解水／冰的微观结构和反常物性至关重要。
然而事实上，想要在实验中精确测量氢键的量子效应极为困难，因而这些问题在国内外学术界一直没有定论，并长期处于激烈的争论之中。
鉴于氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性，为了找到问题的答案，实现对氢核量子特性的精确探测和描述，北京大学江颖课题组以及王恩哥课题组近年来一直致力于相关的研究。
而如今，两个课题组分别在实验技术和理论方法上取得突破，相关研究成果于2016年4月15日刊发在《科学》杂志上。
重要一步
首先，研究人员们成功发展了对于氢核敏感的超高分辨扫描探针显微术，开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法（全量子化计算），实现了单个水分子内部自由度的成像以及水的氢键网络构型的直接识别，并在此基础上探测到氢核的动态转移过程。
在这一项工作的基础上，江颖课题组和王恩哥课题组又基于扫描隧道显微镜研发了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术，突破了传统非弹性电子隧穿谱技术在信噪比和分辨率方面的限制，在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得了单个氢键的强度。
通过可控的同位素替换实验，并结合全量子化计算模拟，科学家们发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能，这表明氢核的量子效应不只是对经典相互作用的简单修正，其足以对水的结构和性质产生显著的影响。
通过进一步深入分析，结果表明，氢核的“非简谐零点运动”会弱化弱氢键，强化强氢键，这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性。
“我们的实验首次为这个问题提供了统一的物理图像，揭示了氢键的全量子本质，澄清了学术界的长期争论。”江颖表示。
而这项极具突破性和创新性的工作也得到了业内科学家的高度赞誉与肯定。《科学》杂志的审稿人盛赞该工作是“实验的杰作”，“一定会引起谱学界的广泛兴趣”以及“为研究氢核量子效应提供了一个绝佳的平台”。
据了解，江颖和王恩哥分别负责该工作的实验和理论部分，北大直博生郭静、博士后冯页新和华中科技大学教授吕京涛是文章的共同第一作者。这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点基础研究发展计划、“万人计划”青年拔尖人才支持计划以及量子物质科学协同创新中心的经费支持。
然而要彻底解答“水的结构”问题，这还不够。
“除了全量子效应，氢键的协同效应也是一个非常重要的特性。全量子效应和协同效应的结合是现在氢键研究的一个全新的热点方向，有可能为理解水的结构和很多反常的物性提供答案。我们正在为之而努力。”江颖表示。■