水是生命的代名词，但将水分子连接在一起的动态、多方面的相互作用--氢键仍然是一个谜。 这些氢键的形成是由于相邻水分子中的氢原子和氧原子连接在一起，并在此过程中交换了电子电荷。

这种电荷共享是3D"氢键"网络的一个关键特征，它赋予了液态水独特的性质，但迄今为止，人们只能通过理论模拟来了解这种网络的核心量子现象。

现在，EPFL 工程学院基础生物光子学实验室主任西尔维-洛克（Sylvie Roke）领导的研究人员发表了一种新方法--相关振动光谱法（CVS），使他们能够测量水分子参与 H 键网络时的行为。

最重要的是，CVS 使科学家们能够区分这些参与（相互作用）的分子和随机分布的非氢键（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。

EPFL 基础生物光子学实验室的相关振动光谱（CVS）装置。 图片来源：Jamani Caillet

"目前的光谱学方法测量的是一个系统中所有分子振动引起的激光散射，因此必须猜测或假设你所看到的是你感兴趣的分子相互作用引起的，"Roke 解释道。"有了 CVS，每种不同类型分子的振动模式都有自己的振动光谱。 由于每个频谱都有一个独特的峰值，对应于沿着 H 键来回移动的水分子，因此我们可以直接测量它们的特性，如电子电荷的共享程度以及 H 键强度受到的影响。"

该研究小组称这种方法具有"变革性"潜力，可用于描述任何材料中的相互作用，该研究成果已发表在《科学》上。

为了区分相互作用分子和非相互作用分子，科学家们用飞秒（四十亿分之一秒）近红外光谱激光脉冲照射液态水。 这些超短脉冲光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。 这种发射的光以散射模式出现，包含了分子空间组织的关键信息，而光子的颜色则包含了分子内部和分子之间原子位移的信息。

"典型的实验是将光谱探测器与射入的激光束成 90 度角，但我们意识到，只需改变探测器的位置，并使用某些偏振光组合记录光谱，就能探测相互作用的分子。 "罗克说："通过这种方法，我们可以为非相互作用分子和相互作用分子创建不同的光谱。"

研究小组进行了更多的实验，旨在利用 CVS 来揭示 H 键网络的电子和核量子效应，例如通过添加氢氧根离子（使水更碱性）或质子（更酸性）来改变水的 pH 值。

"氢氧根离子和质子参与了氢键作用，因此改变水的 pH 值会改变其反应性，"论文第一作者、博士生米沙-弗洛尔（Mischa Flór）说。"通过 CVS，我们现在可以准确量化氢氧根离子向 H 键网络捐献了多少额外电荷（8%），质子从中接受了多少电荷（4%）--这是以前无法通过实验完成的精确测量。 这些数值是借助法国、意大利和英国的合作者进行的高级模拟计算得出的。"

研究人员强调，他们还通过理论计算证实，这种方法可以应用于任何材料，事实上，一些新的表征实验已经在进行中。

"直接量化氢键强度的能力是一种强大的方法，可用于澄清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。"罗克说："由于 CVS 不局限于水，它还能提供有关其他液体、系统和过程的大量信息。"

编译自/ScitechDaily