吴　凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家实验室，北京100871)

亮点HIGHLIGHTLIGHT

利用针尖增强非弹性电子隧穿谱探测水的核量子效应

吴凯

(北京大学化学与分子工程学院，北京分子科学国家实验室，北京100871)

水无处不在，在人类的生产生活中发挥着必不可少的作用。然而，水的结构和许多反常物性至今仍无法被人所理解。水的复杂性主要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是氢原子和氧原子之间经典的静电作用力(O―H…O)。但是，由于氢核的质量很小，其量子特性往往不可忽视，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，从而改变氢键相互作用强度和构型1。因此，经典的氢键图像需要进行相应的量子修正。那么，氢核量子效应到底对氢键有多大的影响？或者说氢键的量子成分有多大？这个问题对于揭开水的奥秘至关重要。

水的核量子效应研究的常规手段是光谱、核磁共振、X射线晶体衍射、中子散射等谱学和衍射技术。然而，这些研究手段的空间分辨能力都局限在几百纳米到微米的量级，得到的信息往往是众多氢键叠加在一起之后的平均效应。由于氢核的量子态对于局域环境的影响异常敏感，核量子态与局域环境之间的耦合会导致非常严重的谱线展宽效应，从而无法对核量子效应进行精确、定量的表征。基于扫描隧道显微镜(STM)的非弹性电子隧穿谱(IETS)是一种能够在单分子水平上获得振动信息的技术，它的出现突破了常规振动谱技术在空间分辨率上的瓶颈2。……