看見水分子網絡
科學家首次直接觀察到水中個別的氫原子如何移動。
透過電解來產氫、製備新一代化學燃料電池，以實現有效率的氫能源技術，必須了解個別氫原子如何在水中運動。
一個電中性的水分子是兩個氫原子與一個氧原子鍵結而成，整體結構具有折角，讓分子一側帶部份正電、一側帶部份負電，就像磁鐵。若可以放大玻璃杯中的水，會看到數以兆計的水分子，還有一些失去電子的個別氫原子（也就是質子）。200年以來，研究人員認為這些質子從一個水分子跳到另一個水分子，藉由與鄰近的水分子連結，並踢掉原先附在那裡的質子，被踢掉的質子再與另一個鄰近的水分子連結。最近中國北京的研究團隊用顯微鏡首次拍攝到這樣的粒子，有助描繪這類跳躍如何進行。根據模型預測，這類跳躍有兩種排列方式。一種是質子直接與一個水分子產生鍵結，把水分子從電中性變成陽離子，周圍三個電中性水分子隨即改變排列，用帶部份負電的那側來穩定電荷。另一種是兩個電中性水分子用帶部份負電的那側夾著多出來的質子，抵消多出來的正電荷。
研究團隊利用原子力顯微鏡（atomic-force microscopy）確認這些排列：用一個特殊探針在不平整的表面上移動，並追蹤奈米等級尖端的軌跡來成像。北京師範大學的化學家郭靜（Jing Guo）和同事對一片金屬上凍結的單層水分子網絡進行成像，揭露多出來的質子如何改變水分子網絡。研究成果發表於今年7月的《科學》。
要區分這兩種不同的水分子排列，測量要極端靈敏。郭靜說：「質子在氫鍵旁的位置差僅約20皮米（picometer），不到半個氫原子長。費時費力終於弄清事情樣貌，我們感到非常興奮。」研究團隊發現這兩種排列發生的比例與頻率皆不同，取決於水在何種金屬上冷凍。他們也用電流迫使水在不同排列之間翻轉。並未參與這項研究的德國帕德伯恩大學理論化學家孔恩（Thomas Kuhn）評論：「能夠（直接）觀察到這些現象，實在驚人。這為（生成氫）機制相關研究開了一扇門，自此或許能夠產生更多好的成果。」
【欲閱讀全文或更豐富內容，請參閱〈科學人〉2022年第250期12月號】
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