水在人類生存中起著根本性的作用，是我們宇宙的主要組成部分，然而我們對水仍有不了解的地方。因此，東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究所、京都大學(xué)和東北大學(xué)的一個(gè)合作小組調(diào)查了電子通過C60籠中單個(gè)水分子的傳輸。

簡單的系統(tǒng)往往是確定復(fù)雜信息的最佳起點(diǎn)單個(gè)水分子就是這樣一個(gè)系統(tǒng)。它僅由三個(gè)原子組成，為建立量子力學(xué)信息提供了一個(gè)極佳的模型。

將一個(gè)水分子引入C60籠(一種完全由碳原子組成的足球狀分子)可以得到H2O@C60，這是研究分離水的絕佳方式。研究人員使用“分子手術(shù)”實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，即打開籠子，注入水分子，然后再次關(guān)閉籠子。

然后，研究員將H2O@C60當(dāng)做單分子晶體管(SMT)，把一個(gè)H2O@C60分子安裝在兩個(gè)電極之間非常小的間隙中。由于電流只會通過獨(dú)立的分子，電子傳輸可以被高度具體化地研究。

科學(xué)家為H2O@C60 SMT生成了一個(gè)電導(dǎo)圖，也被稱為“庫侖穩(wěn)定性圖”(Coulomb stability diagram)。它顯示了水分子的多個(gè)激發(fā)態(tài)。相比之下，一個(gè)空的C60籠狀的庫侖穩(wěn)定性圖只顯示了兩個(gè)激發(fā)態(tài)。

科學(xué)家表示，因?yàn)榘瑑蓚€(gè)氫原子，水有兩種不同的核自旋狀態(tài)：正水(ortho-water)和仲水(para-water)。在正水中，氫的核自旋方向相同;而在仲水中，它們彼此相反。了解這兩類水之間的轉(zhuǎn)變是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

研究人員測量了H2O@C60系統(tǒng)的隧道光譜，并通過將研究結(jié)果與理論計(jì)算相比較，將測量的電導(dǎo)峰歸結(jié)為水分子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)激發(fā)。他們還用太赫茲光譜法研究了H2O@C60，結(jié)果與隧道光譜法的數(shù)據(jù)一致。

這兩種技術(shù)都顯示了正水和仲水同時(shí)的量子轉(zhuǎn)動(dòng)激發(fā)。這表明單個(gè)水分子在實(shí)驗(yàn)的時(shí)間范圍內(nèi)(大約一分鐘)在兩種核異構(gòu)體(正水和仲水)的過渡。

研究報(bào)告的通訊作者Kazuhiko Hirakawa說：“我們的發(fā)現(xiàn)對理解水分子中的正/仲水波動(dòng)做出了重要貢獻(xiàn)。由于水在化學(xué)和生物學(xué)、甚至在理解我們的宇宙方面發(fā)揮著重要作用，我們期望我們的發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生廣泛的影響。”

該研究論文題為"Inelastic Electron Transport and Ortho–Para Fluctuation of Water Molecule in H2O@C60 Single Molecule Transistors"，已發(fā)表在《納米快報(bào)》期刊上。

關(guān)鍵詞： 仲水 正水 東京大學(xué) 科學(xué)家