水分子是地球表面上最多的分子也是人們日常生活中最常見的物質，它是由兩個氫原子和一個氧原子構成。其內部結構非?；?但是又具有很多奇妙的化學性質。但是它們究竟是如何形成水分子的？日前，我國科學家共同解開了這一世界難題，拍攝到了水分子的內部結構。日前，北京大學量子材料中心、量子物質科學協(xié)同創(chuàng)新中心的江穎課題組和王恩哥課題組合作，在水科學領域取得重大突破，在國際上實現(xiàn)了水分子的亞分子級分辨成像，使得在實空間中直接解析水的氫鍵網絡構型成為可能。

　　水的各種奇特物理和化學性質與水分子之間的氫鍵相互作用緊密相關，如何在分子水平上確定水的氫鍵網絡構型是水科學領域的關鍵科學問題之一。過去三年，江穎課題組主要致力于超高分辨的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的研制和開發(fā)，深入到單分子的內部展開亞分子級分辨成像和操控研究，目前取得了一系列研究進展，不僅為水—鹽相互作用的微觀機制提供了新的物理圖像，而且為分子間氫鍵相互作用的研究開辟了新的途徑。另外，該工作所發(fā)展的實驗技術還可進一步應用于原子尺度上的氫鍵動力學研究，比如質子傳輸、氫鍵的形成和斷裂、振動弛豫等。

我國科學家江穎與王恩哥水分子內部結構圖

　　據了解，相關研究成果于1月5日在線發(fā)表在《自然—材料》上。江穎和王恩哥是文章的共同通訊作者，博士研究生郭靜、孟祥志和陳基是文章的共同第一作者，北大物理學院的李新征研究員和量子材料中心教授施均仁在理論方面提供了重要的支持和幫助。這項工作得到了國家基金委、科技部、教育部和北京大學的資助。這一科研成果已在世界科學雜志《自然 》子刊上發(fā)表。

　　北京大學譜學和高分辨率探測實驗室負責人江穎介紹，水分子的直徑只有一根頭發(fā)的百萬分之一，而且流動性非常強，拍照的第一個難題就是給它選擇一個合適的背景。而要想用電子顯微鏡拍照，這個背景還得能導電才行。以前科學家用金屬作為襯底，曾經觀測到模糊的水分子外形，沒有任何的內部結構。這次我國科學家選取氯化鈉（NaCl）薄膜作為背景，將水分子吸附在鹽表面進行觀察，捕捉到水分子更清晰的面貌。

　　過去三年，江穎課題組主要致力于超高分辨的掃描探針顯微鏡系統(tǒng)的研制和開發(fā)，深入到單分子的內部展開亞分子級分辨成像和操控研究，并取得了一系列研究進展：在亞納米尺度對二維自旋晶格的近藤效應進行了實空間成像 [Science 333,324(2011)]；探測到了單個萘酞菁分子內部不同振動模式的空間分布[J. Chem. Phys. 135,014705(2011)]；對單個功能化分子內部的化學鍵實現(xiàn)了選擇性操縱[Nature Chemistry 5,36(2013)]。

　　在此基礎上，江穎課題組與王恩哥課題組緊密配合，通過仔細的論證和探索，成功地把亞分子級分辨成像和操控技術應用到水科學領域，開創(chuàng)性地把掃描隧道顯微鏡的針尖作為頂柵極（top gate），以皮米的精度控制針尖與水分子的距離和耦合強度，調控水分子的軌道態(tài)密度在費米能級附近的分布，從而在NaCl(001)薄膜表面上獲得了單個水分子和水團簇迄今為止最高分辨的軌道圖像。標準物質

　　這使得研究人員可以在實驗中直接識別水分子的空間取向和水團簇氫鍵的兩種不同方向性。結合第一性原理計算，研究人員發(fā)現(xiàn)以往報道的鹽表面的水分子團簇都不是的構型，并提出了一種全新的四聚體吸附結構。

　　該工作不僅為水-鹽相互作用的微觀機制提供了新的物理圖像，而且為分子間氫鍵相互作用的研究開辟了新的途徑。另外，該工作所發(fā)展的實驗技術還可進一步應用于原子尺度上的氫鍵動力學研究，比如質子傳輸、氫鍵的形成和斷裂、振動弛豫等。