怎么在科学网上没有发现？奇怪！中国首次拍到水分子内部结构揭示

北京大学科学家在国际上首次拍摄到水分子的内部结构，揭示了单个水分子和四分子水团簇的空间姿态。 研究结果发表在最新一期的《自然材料》杂志上。 水分子是地球表面最丰富的分子。 它们的内部结构非常基本，但它们具有许多奇妙的化学性质。 水作为良好的溶剂，为生命的存在提供了基本条件，其独特的氢键结构一直是科学家难以解释的。

中国科学家在国际上首次拍摄到水分子的内部结构。 上图显示了氯化钠表面水分子的排列以及单个水分子和四分子水簇的内部结构。

北京大学量子材料中心和量子物质科学协同创新中心蒋英课题组与王恩哥课题组合作，在水科学领域取得重大突破。 他们在国际上首次实现了水分子的亚分子级分辨率成像，使得真实空间中的水分子成像成为可能。 直接分析水的氢键网络的构型成为可能。 相关研究成果于1月5日以【DIO:10.1038/】的形式在线发表在《-》上。蒋英和王恩哥为该文章的共同通讯作者。 博士生郭静、孟祥智、陈吉为该文章的共同第一作者。 物理学院李新政研究员和量子材料中心石俊仁教授提供了重要的理论支持和帮助。 该工作得到了国家科技基金、科技部、教育部、北京大学的资助。

水的各种奇特的物理化学性质与水分子之间的氢键相互作用密切相关。 如何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。 由于氢键的形成主要来源于氢原子和氧原子之间的静电力（OH…O），因此要准确描述水的氢键构型，不仅需要确定氧原子的位置，还可以确定氢原子的位置。 位置，即需要在亚分子水平上检测水分子在空间中的取向。 然而，由于氢原子的质量和尺寸非常小，水分子的亚分子级分辨率成像极具挑战性。

北京大学光谱与高分辨率检测实验室主任蒋英表示，水分子的直径只有头发丝的百万分之一，流动性很大。 拍照的第一个问题就是选择一张适合自己的照片。 背景。 而如果你想用电子显微镜拍照，背景必须是导电的。 过去，科学家使用金属作为基底，观察到水分子的模糊形状，没有任何内部结构。 这次，中国科学家选择了氯化钠（NaCl）薄膜作为背景，将水分子吸附在盐表面进行观察，捕捉到了更清晰的水分子形态。

单个水分子的内部结构图像。 图中的花瓣是水分子的电子云，中间的深色间隙是水分子内部的化学键。

近三年来，蒋英课题组主要致力于超高分辨率扫描探针显微镜系统的研发，深入单分子内部开展亚分子水平分辨率成像与操控研究，并取得了一系列研究进展：二维自旋晶格的近藤效应在亚纳米尺度的实空间成像[333,324(2011)]； 检测到单个萘菁分子内不同振动模式的空间分布[J. 化学。 物理。 135, (2011))]; 实现了对单个功能化分子内化学键的选择性操纵[5,36(2013)]。

在此基础上，蒋英课题组与王恩哥课题组密切合作，经过精心论证和探索，成功地将亚分子级分辨率成像与操控技术应用于水科学领域，开创性地使用针尖扫描技术隧道显微镜作为一个顶门，以皮米级精度控制针尖与水分子之间的距离和耦合强度，调节费米能级附近水分子轨道态密度的分布，从而获得 NaCl 表面的结果（ 001) 电影。 获得了迄今为止单个水分子和水簇的最高分辨率轨道图像。

这使得研究人员能够在实验中直接识别水分子的空间取向以及水簇氢键的两种不同方向性。 结合第一性原理计算，研究人员发现之前报道的盐表面的水分子簇并不是最稳定的构型水分子，并提出了一种新的四聚体吸附结构。

这项工作不仅为水盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，也为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径。 此外，本工作开发的实验技术可进一步应用于原子尺度氢键动力学的研究，如质子输运、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。

水分子如何与氯化钠表面结合。 图 g 和 h 显示水分子“站立”在盐上。

由四个水分子及其两个不同方向组成的水簇的图像