《JPCL》发表我校关于“破解冰之谜”的最新研究成果

湘大小编

作为一切生命的起源，水具有最简单的化学组分(H2O)，自然界最富有，却最少被人类所认知。水的可测物性皆反常，譬如，水结冰时体积膨胀，冰不易被压缩，单层水膜和水的表面具有高弹性、高熔点、低密度、疏水，以及冰的表面易滑等一系列反常物性。其背后蕴含的物理机制一直是科学界的难解之谜。根据《科学》杂志报道，水的结构(物性)是人类面临的125个最具挑战性的课题之一。
近日，美国化学学会出版的《物理化学快报，2013，4，2565 - 70》(影响因子6.585)刊登了以我校材料与光电物理学院为首作者单位的文章，揭示水分子在配位数小于理想值(4)时的密度、弹性、和热稳定性等行为的物理机制。
孙长庆教授带领的“控键科学与工程”团队与清华大学、吉林大学和南洋理工大学的学者合作，首次提出并验证了氢键(O:H-O)的“主从分段结构、超短程作用、非对称弛豫、和局域极化等行为”。通过理论计算与实验观测结合，证明了水分子的极性共价键(H-O)在其近邻数目降低时发生自发收缩和强化，同时，近邻氧原子的电子对之间的库伦排斥使范德瓦尔斯键(O:H)极化并大量伸长。水分子自身体积减小但分子间的间距增大。强键的能量决定冰的熔点、高频声子频率、和深层电子能级偏移。从根本上系统地阐明了常温下水分子团簇、超薄水膜、和水表层的高频声子和氧的芯能级蓝移、强极化、疏水、类冰、和低密度等超固态特性。
该系列的首篇以“Hidden Force Opposing Ice Compression”为题的论文于2012年在英国皇家化学学会出版的《化学科学，3，1455-60》上发表(影响因子8.314)，并被《RSC News》、《Chemistry World》、《ChemistryViews》、《Science Base》、《India Times》、《Madrid Times》、《Dallas Morning News》等多家学术和新闻媒体以“破解冰之谜”为题作为研究亮点同步报道。
此项研究得到国家自然科学基金和湖南省“百人计划”人才项目的支持。系统研究正在深入地进行。