解析水的氢键网络构型可能还是一种难题

 

水的各种奇特物理和化学性质与水分子之间的氢键相互作用紧密相关，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。过去三年，江颖课题组主要致力于超高分辨的扫描探针显微镜系统的研制和开发，深入到单分子的内部展开亚分子级分辨成像和操控研究，目前取得了一系列研究进展，不仅为水—盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，而且为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径。另外，该工作所发展的实验技术还可进一步应用于原子尺度上的氢键动力学研究，比如质子传输、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。

严格地说，此结构不是一般意义的结构，而是一种被称为 Electronic Structure 的量子化学概念，一个非常复杂的复变函数，描述的是分子的电子运动状态，普通百姓根本无法理解。

用量子化学的语言说，水分子的核外电子的运动状态可以用分子轨道来描述，而波函数的模的平方和电子密度是成正比的。那个实验结果对应的是水分子的前线轨道的电子密度在空间的分布。前线轨道在化学反应中非常重要，其能量和对称性决定了2个分子是否容易发生化学反应，那是日本的化学师傅福井谦一1981年拿诺贝尔奖的工作。相似的电子结构密度图在很多年前就发表过，不过那些更多是属于金属或者无机盐体系。上文发现是把水分子吸附在固体NaCl表面，通过STM技术实现了成像。

水是人们日常生活中最常见的物质，它是由两个氢原子和一个氧原子构成。但它们究竟是如何形成水分子的？日前，我国科学家共同解开了这一世界难题，首次拍摄到了水分子的内部结构。这一科研成果已在世界权威科学杂志《自然》子刊上发表。显然，这篇文章不是解开了那个“难题”，因为文章最多是验证了很多年前理论上早就非常清楚的H2O分子的电子波函数在空间的分布结构。世界难题的说法是有点过头了。