研究揭示了水三聚体中受控的质子隧穿

由UNIST材料科学与工程系的Hyung-Joon Shin教授领导的一个研究小组成功地阐明了三个水分子三角形簇内发生的量子现象。这项工作发表在《纳米快报》杂志上

他们的发现表明，水分子的集体旋转运动增强了质子隧穿，这是一种量子力学效应，质子（H+）绕过能量势垒而不是克服它们。这种现象对化学反应速率和DNA等生物分子的稳定性有影响

研究表明，当水分子的旋转运动被激活时，分子之间的距离会发生调整，从而增加协同性并促进质子隧穿。这个过程允许水分子中的三个质子共同克服能量势垒

为了研究这一点，研究小组创建了三个水分子的三角形排列，并分析了其形状的变化。他们采用先进的分析技术，特别是扫描隧道显微镜（STM），单独操纵分子并研究由此产生的结构

在超高真空条件（10-11Torr）和极端低温（-268.75°C至-257.15°C）下，水分子被固定在盐膜上，以防止蒸发。观察到三角形排列向左或向右扭曲（异构），扭曲方向经常变化。这种行为证明质子隧穿即使在低温下也会发生

当通过STM探针向扭曲的三角形结构施加特定电压时，观察到它更接近等边三角形。这一变化表明，电压激活了分子的旋转运动，从而调整了氢键距离并增强了协同性，导致集体质子隧穿

为了验证他们的发现，研究小组除了观察水分子三角形的形状外，还进行了其他实验。他们进行了理论计算，并比较了氧化氘（D2O）和水（H2O）的隧穿速率

来自UNIST的Yohan Kim博士和Huijun Han博士是这项研究的共同第一作者。他们表示：“虽然水是实验分析分子间协同性和质子隧穿之间关系的绝佳工具，但水分子之间强烈的氢键使这些实验具有挑战性。”。“我们通过使用技术仅分离和分析三个水分子来解决这个问题。”该研究的通讯作者Shin教授强调了他们的发现的重要性，他说：“这项研究通过实验阐明了分子旋转运动和水分子之间的协同性在调节质子隧穿中的关键作用。这些发现的意义可以为控制化学过程、催化和能量转换中的反应引入新的策略。”