中国科学家发现受限水罕见类量子行为,将为研究水伏能源提供理论支撑。( 二 )


循着这一规律 , 该团队对低维分子体系提出一种设想:是否也能在这些分子体系里 , 找到和量子体系的相似之处?
尽管分子系统不具备产生上述量子振荡行为的条件 , 但低维度的受限空间中 , 会出现和高维体系截然不同的行为 。 在这方面 , 以受限水最具代表性 。 因此 , 张助华想从受限水出发 , 发掘一下量子和分子系统之间的一些类似性 。
他表示:“我们此次报道的受限水中的弗里德尔振荡 , 恰好与量子体系中电子的弗里德尔振荡有许多相似之处 。 因此某种程度上 , 这种新的认识 , 可成为分子和量子体系之间的纽带 , 从而让两者建立某种联系 。 ”
【中国科学家发现受限水罕见类量子行为,将为研究水伏能源提供理论支撑。】据介绍 , 该团队之所以选择受限水 , 是因为水对生命和人类的重要性 。 它简单、普遍 , 却又内涵非常深奥 。 它独特的分子间相互作用使其会产生一系列奇特行为和现象 , 尤其是在纳米尺度受限的空间内 , 过去不少研究都已证明了这一点 。
中国科学家发现受限水罕见类量子行为,将为研究水伏能源提供理论支撑。
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(来源:National Science Review)
例如 , 通常认为水在零度左右才会结冰 , 但在受限环境中水在室温下仍然保持冰的结构 。 又如 , 处于碳纳米管、石墨烯孔道等受限环境中的水 , 会具有独特的分子结构和一系列奇异的离子输运行为 , 而且这时水的介电常数会比水的标准值降低近 20 倍 。
鉴于此 , 张助华选择一维受限环境中的水作为研究对象 。 当然 , 固-液界面的相互作用 , 也是该团队考虑的另一关键因素 。
借助大规模分子动力学计算发现 , 在分子受限体系中 , 确实存在和量子体系类似的现象 , 一般称之为类弗里德尔振荡 。 当存在局部扰动时 , 一维受限水的轴向分子密度表现出有规律的振荡现象 , 即从扰动处向远处不断衰减 。
这与金属表面、或一维金属纳米线等体系中的电子密度 , 在受到缺陷、或杂质影响时发生的振荡行为如出一辙 。
进一步地 , 该团队通过改变体系的各种条件 , 包括通道形状、长度、外压、扰动类型等因素 , 证明了这种类弗里德尔振荡的普遍性 。
此外 , 当出现多个扰动的叠加时 , 产生的振荡强度也会随之增强 。 而且 , 不管流体是否处于静止状态 , 扰动造成的振荡始终存在 , 只是对称性发生了变化 。
那么 , 如何来理解这种现象?这时张助华其团队通过建立物理模型 , 对分子体系的振荡进行解析式描述 。
如前所述 , 水是既简单、又复杂的物质 , 很难找到一个能完美描述这种现象的理论 。
因此 , 他们从一类几何扰动的体系出发 , 利用福克-普朗克关系(描述粒子在势能场中受到随机力后 , 随时间演化的位置或是速度的分布函数) , 把水的局部密度分布 ρ 描述为高斯分布 , 而这些密度分布的叠加 , 恰好描述了这种类弗里德尔振荡 。
其中 , 最邻近水分子的、高斯分布的半峰宽 σ , 由扰动的强度 h 所决定;密度分布的中心位置 μ , 则由水分子的特征尺寸确定 。
密度振荡的衰减 , 则由水分子的偶极关联度 g 决定 。 受限水的类弗里德尔振荡和电子的弗里德尔振荡 , 不仅仅只在外形上相似 , 在诸多性质上也存在呼应 。 例如 , 振荡的波长 λ 由分子的特征尺寸确定 , 这和弗里德尔振荡的波长由电子费米波长确定相对应 。
为认识生物体系中的相关通道提供重要借鉴
在研究这种振荡的过程中 , 张助华等发现这种具有类弗里德尔振荡的体系 , 能对微纳尺度传质产生决定性影响 。 在施加外压的情况下 , 离子和水能通过一维孔道进行传输 。

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