水的核量子效应研究进展

发布时间：2019-01-07 08:57

【摘要】："水的结构是什么"这是Science杂志在创刊125周年的特刊中提出的21世纪125个亟待解决的科学前沿问题之一.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.人们通常认为氢键的本质为经典的静电相互作用,然而由于氢原子核质量很小,其量子效应在室温下都会非常明显,氢核的量子隧穿和量子涨落将减弱经典势垒对氢原子的限制,从而增强或减弱氢键相互作用强度,改变氢键网络构型,甚至影响氢键体系的宏观物性.该综述首先概述了核量子效应的起因和表现,然后介绍核量子效应研究的传统实验手段,以及新兴的基于扫描隧道显微镜和非接触式原子力显微镜的高分辨成像和谱学技术.然后,本文总结了水中氢核量子隧穿和量子涨落的最新研究进展,尤其是深入到原子尺度的核量子效应研究,最后对核量子效应研究所面临的问题和挑战以及未来发展方向进行评述.
[Abstract]:"what is the structure of Water" is one of the 125 scientific frontier problems that Science magazine put forward in the 125th Anniversary issue of the 21st century. One of the most important reasons why the structure of water is so complex is due to the hydrogen bond interaction between water molecules. The nature of hydrogen bonds is generally considered to be a classical electrostatic interaction. However, due to the small mass of hydrogen atoms, the quantum effects are very obvious at room temperature. The quantum tunneling and fluctuation of hydrogen nuclei will weaken the limitation of the classical barrier on hydrogen atoms, enhance or weaken the strength of hydrogen bond interaction, change the configuration of hydrogen bond networks, and even affect the macroscopic physical properties of hydrogen bond systems. This review first summarizes the causes and manifestations of nuclear quantum effects and then introduces the traditional experimental methods for the study of nuclear quantum effects and the emerging high-resolution imaging and spectroscopic techniques based on scanning tunneling microscopy and contactless atomic force microscopy. Then, this paper summarizes the latest research progress of hydrogen quantum tunneling and quantum fluctuations in water, especially the nuclear quantum effects at atomic scale. Finally, the problems and challenges faced by the nuclear quantum effect research and its future development are reviewed.
【作者单位】： 北京大学物理学院量子材料科学中心 量子物质协同创新中心
【基金】：国家重点研发计划(2016YFA0300901,2017YFA0205003) 国家自然科学基金重点项目(11634001);国家自然科学基金重大项目(11290162/A040106)资助 国家杰出青年科学基金(21725302)
【分类号】：O413

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本文编号：2403477