水分子的新物質態？

New state of water molecule discovered
http://phys.org/news/2016-04-state-molecule.html

By Ron Walli
April 22, 2016

中子散射與計算塑模（modeling）揭露水分子在極端侷限（confinement）環境中，獨特且在意料之外的行為，那與任何已知的氣態、液態或固態都不相符。

一篇發表在 Physical Review Letters 期刊的論文中，美國能源部 Oak Ridge National Laboratory（ORNL）的研究者描述，水分子受限在綠寶石（beryl，綠柱石）礦物的六邊形超小通道中（直徑只有 5 angstrom）所產生的一種新穿隧態（tunneling state）。一埃（angstrom，Å）為一百億分之一公尺，而一個原子的直徑通常是一埃。

這項發現使得 ORNL 的 Spallation Neutron Source（SNS 中子源）與英國 Rutherford Appleton Laboratory 要證明水在岩石、土壤與細胞壁的超侷限狀態下有哪些特性成為可能。科學家們預測，那將引起跨許多學門的關注。

"在低溫下，這種「穿隧水」透過分散勢能牆（separating potential walls，勢能障壁）展現出量子運動，那在古典世界中是被禁止的，" 第一作者，ORNL 化學與工程材料部門的 Alexander Kolesnikov 表示。"這表示水分子的氧與氫原子已「非定域化（delocalized，離域）」也因此「同時」出現在通道中六個相對稱的位置上。這只是在量子力學內發生的眾多現象之一，而且無法以我們的日常經驗相提並論。"

在 ORNL 研究中所證明的、水穿隧態的存在，應能幫助科學家以更好的方式描述水在高度受限環境中的熱力學特性與行為，例如在細胞膜通道內、奈米碳管、顆粒間隙與眾多地質環境的礦物界面中，水的擴散與傳輸。

ORNL 共同作者 Lawrence Anovitz 提到，這項發現很容易在材料、生物、地質與計算科學家之間，討論這種現象背後的機制以及理解如何將之應用到其他材料時點燃火花。

"關於水的行為以及水如何運用能量上，這項研究代表著一種新的基礎性理解，" Anovitz 表示。"此外，一想到在你的藍寶石（aquamarine）或祖母綠（emerald）戒指中，那些水分子也正在經歷我們在實驗中所看到的相同量子穿隧效應時，就覺得十分有趣。"

雖然先前的研究已觀察到原子氫在其他系統中的穿隧，不過 ORNL 發現，水會展現這樣的穿隧行為，其實是在意料之外。中子散射與計算化學實驗證明，在這種穿隧態中，水分子繞著一個環 delocalized，所以水分子呈現出一種不尋常的、雙峰般的（double top-like）形狀。

"從中子實驗直接獲得的水質子平均動能，是在近乎絕對零度下測量它們的運動，而且不到百分之 30 水是成塊的液態或固態水，" Kolesnikov 說，"基於水的振動模式，那完全與被認可的模型不同。"

Lake Washington Institute of Technology 與 University of Washington-Bothell 的 Narayani Choudhury 所進行的第一原理模擬（first principle simulations）證明，穿隧行為與綠寶石結構的振動動力學相耦合。

這篇名為《Quantum Tunneling of Water in Beryl: a New State of the Water Molecule》的論文的共同作者是 ORNL 的 Timothy Prisk, Eugene Mamontov, Andrey Podlesnyak, George Ehlers 與 David Wesolowski、Houston 大學的 George Reiter、Rutherford Appleton Laboratory 的 Andrew Seel。研究資助者是 DOE 的基礎能源科學辦公室。SNS 中子源是 DOE 科學使用者辦公室的設施。

※ 相關報導：

＊ Quantum Tunneling of Water in Beryl: A New State of the Water Molecule
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.167802

Alexander I. Kolesnikov, George F. Reiter,
Narayani Choudhury, Timothy R. Prisk,
Eugene Mamontov, Andrey Podlesnyak, George Ehlers,
Andrew G. Seel, David J. Wesolowski,
and Lawrence M. Anovitz
Phys. Rev. Lett. 116, 167802 – Published 22 April 2016
doi: 10.1103/PhysRevLett.116.167802

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