3个水分子“群舞”加速质子隧穿！UNIST阐明量子现象

Published 10 Mar.2025 08:56(KST)

Updated 31 Jul.2025 23:19(KST)

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Shin Hyeongjun教授团队，用3个水分子构成三角形，阐明量子现象

分子转动加速质子隧穿…刊登于Nano Letters

通过分析由3个水分子构成的三角形结构形状变化，揭示其中发生的量子现象的研究结果已经公布。

蔚山科学技术院（UNIST）新材料工程系的 Shin Hyeongjun 教授团队于10日表示，其通过实验证实了水分子的集体转动运动会增强质子隧穿现象。

Shin Hyeongjun 教授

质子隧穿是指质子（H+）并非跨越能量势垒，而是直接穿透势垒的一种量子力学现象，会影响化学反应速度以及DNA等生物分子的稳定性。

研究结果显示，当水分子的转动运动被激活时，分子间距离得到调节，协同性随之增强，结果促进了质子隧穿。随着协同性的增加，3个水分子的质子（H+）会以集体形式穿过能量势垒。

研究团队通过用3个水分子构成一个三角形，并分析该三角形的形状变化，从而发现了上述事实。为了逐个移动分子，将其排布成所需形状并分析其形状变化，研究人员采用了扫描隧道显微镜（STM）这一先进分析技术。

水分子被排布并固定在盐薄膜表面，在超高真空（10-11Torr）和超低温（零下268.75℃至257.15℃）条件下保持，以防止分子发生蒸发。

置于盐薄膜上的水分子三角形呈现向左或向右压扁的形态（异构体），而这种压扁的方向会频繁变化。

这为在低温状态下也会自然发生质子隧穿现象提供了观测证据。

在这一状态下，当通过扫描隧道显微镜的探针向水分子三角形施加特定电压时，原本变形的水分子三角形会转变为更接近正三角形的形态。研究认为，这是由于电压激活的分子转动运动调节了水分子间距离——即氢键长度，由此引发的三角形结构变化增强了分子间的协同性，并导致了集体质子隧穿的发生。

通过水分子三角形构型的变化观测到质子隧穿现象。

为证明这一点，研究团队除观测水分子三角形的形状外，还进行了理论计算，以及对重水（D2O）与普通水（H2O）隧穿速度的对比分析等追加实验。

本次研究中，UNIST 的 Kim Yohan 博士和 Han Heejun 博士作为共同第一作者参与。

共同第一作者 Kim Yohan 博士

共同第一作者 Han Heejun 博士。

研究人员表示：“水是实验分析分子间协同性与质子隧穿之间相关性的良好工具，但由于水分子之间存在强氢键，这类实验并不容易进行”，“我们利用能够单独分离出3个水分子并加以分析的技术解决了这一难题。”

通讯作者 Shin Hyeongjun 教授表示：“本研究在实验上证明了水分子的转动运动以及分子间协同性是可以调控质子隧穿的主要因素，具有重要意义”，“这一研究结果有望在化学反应、催化与能量转换过程中提出新的反应调控方法。”

该研究结果于2月12日发表在国际学术期刊《Nano Letters》上。研究工作得到了中坚研究者支援项目和基础科学研究院的资助。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。