洛桑联邦理工学院的研究人员首次独家观察了液态水中参与氢键的分子，测量了以前只能通过理论模拟才能获得的电子和核量子效应。
水是生命的代名词，但将 H 2 O 分子连接在一起的动态、多面相互作用——氢键——仍然是个谜。当水分子之间的氢原子和氧原子相互作用并在此过程中共享电子电荷时，就会形成氢键。
这种电荷共享是三维“氢键”网络的一个关键特征，它赋予液态水独特的性质，但迄今为止，人们仅通过理论模拟才能理解此类网络核心的量子现象。
现在，由洛桑联邦理工学院工程学院基础生物光子学实验室主任 Sylvie Roke 领导的研究人员发表了一种新方法——相关振动光谱(CVS)，使他们能够测量水分子参与氢键网络时的行为。
至关重要的是，CVS 允许科学家区分此类参与(相互作用)分子和随机分布的非 H 键(非相互作用)分子。相比之下，任何其他方法都会同时报告两种分子类型的测量结果，因此无法区分它们。
“当前的光谱方法测量由系统中所有分子振动引起的激光散射，因此你必须猜测或假设你所看到的是由于你感兴趣的分子相互作用引起的，”Roke 解释道。
“通过 CVS，每种不同类型的分子的振动模式都有自己的振动光谱。由于每个光谱都有一个独特的峰值，对应于沿 H 键来回移动的水分子，我们可以直接测量它们的属性，例如共享了多少电子电荷，以及 H 键强度受到怎样的影响。”
研究小组称，这种方法具有表征任何材料中相互作用的“变革性”潜力，该方法已发表在《科学》杂志上。
从新的角度看待事物
为了区分相互作用的分子和非相互作用的分子，科学家们用近透视 光谱中的飞秒(千万亿分之一秒)激光脉冲照射液态水。这些超短光脉冲在水中产生微小的电荷振荡和原子位移，从而引发可见光的发射。
发射光以散射模式出现，其中包含有关分子空间组织的关键信息，而光子的颜色则包含有关分子内和分子间原子位移的信息。
“典型的实验将光谱检测器与入射激光束成 90 度角放置，但我们意识到，只需改变检测器位置，并使用某些偏振光组合记录光谱，我们就可以探测相互作用的分子。通过这种方式，我们可以为非相互作用和相互作用的分子创建单独的光谱，”Roke 说。
该团队进行了更多实验，旨在利用 CVS 分离 H 键网络的电子和核量子效应，例如通过添加氢氧离子(使其更碱性)或质子(更酸性)来改变水的 pH 值。
“氢氧离子和质子参与氢键形成，因此改变水的 pH 值会改变其反应性，”该论文的第一作者、博士生 Mischa Flór 说。
“通过 CVS，我们现在可以精确量化氢氧离子向氢键网络捐赠了多少额外电荷(8%)，以及质子从中接受了多少电荷(4%)——这些精确的测量是以前通过实验无法做到的。”
这些价值观得到了法国、意大利和英国合作者进行的高级模拟的解释
研究人员强调，该方法可应用于任何材料，并通过理论计算证实了这一点，而且事实上已经进行了多项新的表征实验。
“直接量化氢键强度的能力是一种强大的方法，可用于阐明任何溶液的分子级细节，例如含有电解质、糖、氨基酸、DNA 或蛋白质的溶液，”Roke 说。“由于 CVS 不仅限于水，它还可以提供有关其他液体、系统和过程的大量信息。”