一作+通訊！清華大學楊傑最新Nature

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水是自然界中最重要但最不為人知的液體之一。液態水的許多異常性質源於其連線良好的氫鍵網路，包括異常有效的振動能量重新分配和弛豫。準確描述水分子的超快振動運動對於理解氫鍵的性質和許多溶液相化學反應至關重要。大多數現有的水中振動弛豫知識都建立在超快光譜實驗的基礎上。然而，這些實驗不能直接解決原子位置的運動，並且需要將光譜動力學轉化為氫鍵動力學。

2021年8月25日，清華大學楊傑，SLAC 國家加速器實驗室王西傑，Todd J. Martinez，Kelly J. Gaffney及加州大學戴維斯分校Davide Donadio共同通訊在Nature 線上發表題為“Direct observation of ultrafast hydrogen bond strengthening in liquid water”的研究論文，該研究使用液體超快電子散射以飛秒的時間和原子空間解析度測量對液態水中 OH 伸縮振動激發的超快結構響應。

該研究在 80 飛秒的時間尺度上觀察到大約 0.04 Å 的瞬態氫鍵收縮，然後在大約 1 皮秒的時間尺度上熱化。分子動力學模擬揭示了需要機械地處理氫鍵中共享質子的分佈，以捕捉飛秒時間尺度上的結構動力學。該研究的實驗和模擬揭示了 OH 拉伸鬆弛之前水振動的分子間特徵。

總之，該研究證實分子內和分子間模式之間的強耦合是水振動結構的定義特徵，並提供了水振動分子間特徵的直接原子解析度視覺化。

水的振動光譜對理解液態水中氫鍵重組和能量重新分配的動力學做出了重要貢獻。已確定水的振動譜具有分子內和分子間特徵，需要根據集體激發來描述。

然而，包括分子內和分子間振動模式之間的強非諧耦合，光譜到結構的解釋已被證明具有挑戰性。

水分子間動力學的完整揭示需要直接的時間和結構解析測量。中子和 X 射線散射通常用於測量不同環境中液態水的平衡原子結構，由 X 射線自由電子雷射器 (XFEL) 產生的飛秒 X 射線脈衝已用於研究超快加熱和水中的籠子效應，以及非彈性中子散射提供了對水中分子內和分子間振動動力學的深入瞭解。此外，XFEL 使研究溶液中分子的飛秒結構動力學成為可能。

然而，X 射線和中子散射都沒有被用於研究泵探測方案中水的超快振動弛豫。該研究使用液體超快電子散射以飛秒的時間和原子空間解析度測量對液態水中 OH 伸縮振動激發的超快結構響應。

該研究在 80 飛秒的時間尺度上觀察到大約 0.04 Å 的瞬態氫鍵收縮，然後在大約 1 皮秒的時間尺度上熱化。分子動力學模擬揭示了需要機械地處理氫鍵中共享質子的分佈，以捕捉飛秒時間尺度上的結構動力學。

該研究的實驗和模擬揭示了 OH 拉伸鬆弛之前水振動的分子間特徵。總之，該研究證實分子內和分子間模式之間的強耦合是水振動結構的定義特徵，並提供了水振動分子間特徵的直接原子解析度視覺化。

參考訊息：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03793-9

來源 | iNature

編輯/稽核：Andy

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