中國科學家在世界上首次拍到水分子內部結構

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。

我國科學家在世界上首次拍到水分子的內部結構。上圖顯示了水分子在氯化鈉表面上的排列方式和單個水分子、四分子水團簇的內部結構。

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絡構型成為可能。相關研究成果於1月5日以Article的形式在線發表在《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，物理學院的李新徵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絡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。

北京大學譜學和高分辨率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。

單個水分子的內部結構圖像。圖中花瓣部分是水分子的電子雲，中間的暗縫是水分子內部化學鍵。

過去三年，江穎課題組主要致力於超高分辨的掃描探針顯微鏡系統的研製和開發，深入到單分子的內部展開亞分子級分辨成像和操控研究，並取得了一系列研究進展：在亞納米尺度對二維自旋晶格的近藤效應進行了實空間成像 [Science 333,324(2011)]；探測到了單個萘酞菁分子內部不同振動模式的空間分佈[J. Chem. Phys. 135,014705(2011)]；對單個功能化分子內部的化學鍵實現了選擇性操縱[Nature Chemistry 5,36(2013)]。

在此基礎上，江穎課題組與王恩哥課題組緊密配合，通過仔細的論證和探索，成功地把亞分子級分辨成像和操控技術應用到水科學領域，開創性地把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂柵極（top gate），以皮米的精度控制針尖與水分子的距離和耦合強度，調控水分子的軌道態密度在費米能級附近的分佈，從而在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個水分子和水團簇迄今為止最高分辨的軌道圖像。

這使得研究人員可以在實驗中直接識別水分子的空間取向和水團簇氫鍵的兩種不同方向性。結合第一性原理計算，研究人員發現以往報道的鹽表面的水分子團簇都不是最穩定的構型，並提出了一種全新的四聚體吸附結構。

該工作不僅為水-鹽相互作用的微觀機制提供了新的物理圖像，而且為分子間氫鍵相互作用的研究開闢了新的途徑。另外，該工作所發展的實驗技術還可進一步應用於原子尺度上的氫鍵動力學研究，比如質子傳輸、氫鍵的形成和斷裂、振動弛豫等。

水分子在氯化鈉表面上的結合方式。圖g和圖h顯示，水分子是“站”在鹽上的。

四個水分子構成的水團簇影像及其兩種不同的方向性