研究人员最近通过直接观察液态水中参与氢键的分子，取得了重要突破，评估了之前仅通过理论模拟观察到的电子和核量子效应。
水是生命所必需的，但通过氢键把H2O分子结合在一起的复杂相互作用仍然不是完全理解。这些键在不同水分子的氢和氧原子相互作用时形成，导致电子电荷的共享。这种电荷共享是形成三维“H-键”网络的基础，这一网络赋予液态水其独特的性质；然而，驱动这些网络的量子过程直到现在大多通过理论模型进行探索。
现在，在负责洛桑联邦理工学院工程学院基础生物光子学实验室的Sylvie Roke的领导下，研究人员引入了一种被称为关联振动光谱（CVS）的新技术。该方法允许他们分析氢键网络中水分子的行为。重要的是，CVS能够区分参与氢键的相互作用分子和随机分布、不互相作用的分子。相比之下，现有的方法同时测量这两种类型的分子，这使得区分它们变得困难。
“现有的光谱技术监测样本中所有分子的激光光散射，这需要对正在观察的分子相互作用做出假设，”Roke澄清道。“通过CVS，每种分子都有自己独特的振动光谱。由于每个光谱都有与水分子沿氢键运动相关的独特峰值，我们可以直接评估它们的特性，包括电荷共享的程度和氢键的强度。”
研究人员声称，这一创新技术已在《科学》期刊上发表，具有改变任何材料中相互作用表征的潜力。
一种全新的视角
为了区分相互作用的和非相互作用的分子，科学家们让液态水暴露于皮秒（万亿分之一秒）激光脉冲下，光谱范围在近红外范围。这些极其短暂的光闪光会引起水中的小电荷振荡和原子运动，从而发出可见光。这种发出的光产生的散射模式揭示了关于分子空间组织方式的重要数据，而发出光子的颜色提供了关于分子内和分子之间的原子运动的见解。
“在典型实验中，光谱探测器与入射激光呈90度角位置。然而，我们发现，通过调整探测器的位置并使用特定组合的偏振光，我们可以单独分析相互作用的分子，从而为非相互作用和相互作用的分子生成不同的光谱，”Roke解释道。
研究小组进行了一系列额外的CVS实验，以探讨氢键网络中的电子和核量子效应，通过添加氢氧根离子（增加碱性）或质子（增加酸性）来实验水的pH水平。
博士生Mischa Flór，研究的第一作者指出，“氢氧根离子和质子参与氢键的形成，因此调整水的pH会影响其反应性。”通过CVS，研究小组准确测量了氢氧根离子对氢键网络所贡献的额外电荷量（8%）以及质子从氢键网络中获取的电荷量（4%）。这些精准的测量得到了来自法国、意大利和英国的合作伙伴的先进模拟支持。
研究人员强调，这种方法也通过理论计算进行了验证，可以应用于各种材料，目前已有多个新的表征实验在进行中。
“直接量化氢键强度的能力是揭示任何溶液（例如含有电解质、糖、氨基酸、DNA或蛋白质的溶液）分子级细节的强大工具，”Roke表示。“由于CVS不仅限于水，它还承诺提供有关其他液体、系统和过程的大量信息。”
