水分子內部結構

水分子內部結構是一個物理名詞。稍有常識的人們都知道，水是人們日常生活中最常見的物質，它的一個分子是由兩個氫原子和一個氧原子構成。但它們究竟是如何形成水分子的？恐怕人們就一問三不知、無所適從了。

基本介紹

• 中文名：水分子內部結構
• 詞性：名詞
• 構成：兩個氫原子和一個氧原子
• 間接：科學雜誌《自然》子刊

常識之惑

稍有常識的人們都知道，水是人們日常生活中最常見的物質，它的一個分子是由兩個氫原子和一個氧原子構成。但它們究竟是如何形成水分子的？恐怕人們就一問三不知、無所適從了。

難題突破

面對這個常識性的疑惑，日前，中國科學家共同解開了這一世界難題，首次拍攝到了水分子的內部結構。這一科研成果已在世界權威科學雜誌《自然》子刊上發表。

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北京大學科學家在世界上首次拍到水分子的內部結構，並揭示了單個水分子和四分子水團簇的空間姿態。這一成果發表在最近一期的《自然-材料》雜誌上。水分子是地球表面上最多的分子，其內部結構非常基本，但是又具有很多奇妙的化學性質。水作為良好的溶劑為生命存在提供了基本條件，其獨特的氫鍵結構也一直讓科學家難以解釋。

北京大學量子材料中心、量子物質科學協同創新中心江穎課題組與王恩哥課題組合作，在水科學領域取得重大突破，在國際上首次實現了水分子的亞分子級分辨成像，使在實空間中直接解析水的氫鍵網路構型成為可能。相關研究成果於1月5日以Article的形式線上發表在《自然-材料》[Nature Materials DIO: 10.1038/nmat3848]。江穎和王恩哥是文章的共同通訊作者，博士研究生郭靜、孟祥志和陳基是文章的共同第一作者，物理學院的李新征研究員和量子材料中心的施均仁教授在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項工作得到了國家基金委、科技部、教育部和北京大學的資助。

水的各種奇特物理和化學性質與水分子之間的氫鍵相互作用緊密相關，如何在分子水平上確定水的氫鍵網路構型是水科學領域的關鍵科學問題之一。由於氫鍵的形成主要源於氫原子和氧原子之間的靜電作用力(O-H…O)，要精確描述水的氫鍵構型，不僅需要判定氧原子的位置，還必須能識別氫原子的位置，也就是要求能在亞分子級水平上探測水分子在空間中的取向。然而，由於氫原子的質量和尺寸都非常小，對水分子進行亞分子級分辨成像極具挑戰性。

北京大學譜學和高解析度探測實驗室負責人江穎介紹，水分子的直徑只有一根頭髮的百萬分之一，而且流動性非常強，拍照的第一個難題就是給它選擇一個合適的背景。而要想用電子顯微鏡拍照，這個背景還得能導電才行。以前科學家用金屬作為襯底，曾經觀測到模糊的水分子外形，沒有任何的內部結構。這次我國科學家選取氯化鈉（NaCl）薄膜作為背景，將水分子吸附在鹽表面進行觀察，捕捉到水分子更清晰的面貌。