水的各种奇特物理和化学性质与水分子之间的氢键相互作用紧密相关，如何在分子水平上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。过去三年，江颖课题组主要致力于超高分辨的扫描探针显微镜系统的研制和开发，深入到单分子的内部展开亚分子级分辨成像和操控研究，目前取得了一系列研究进展，不仅为水—盐相互作用的微观机制提供了新的物理图像，而且为分子间氢键相互作用的研究开辟了新的途径。另外，该工作所发展的实验技术还可进一步应用于原子尺度上的氢键动力学研究，比如质子传输、氢键的形成和断裂、振动弛豫等。

给水分子拍照不是一件容易的事儿

给水分子拍照不是一件容易的事，因为它实在是太小了，直径只有一根头发丝的百万分之一，而且在液态情况下，水分子运动非常快。拍照的第一个难题，就是给它选择一个合适的衬底。

由于拍摄仪器的要求，这个衬底还得能导电才行。以前，科学家一般选取的是以金属作为衬底，把水直接放在金属上进行观察，但由于水分子和金属之间有很强的相互作用，水分子的轨道往往会被金属的电子态所淹没，所以此前世界各国的科学家拍到的水分子照片，最多只是模糊的外形——“一个没有任何内部结构的圆形凸起”。这次我国科学家选取了金属表面生长的绝缘薄膜（氯化钠）作为拍摄的衬底，让水分子吸附在盐的表面进行观察，这大大减小了水分子和衬底之间的耦合，从而使水分子本征的轨道结构得以保留。

拍摄水分子内部结构的另外一个挑战，就是单个水分子的信号强度异常微弱，对实验仪器的精度要求非常高。近年来，江颖课题组在单分子成像和操控方面积累了丰富的经验，并取得了一系列的研究进展：在亚纳米尺度对二维自旋晶格的近藤效应进行了实空间成像；探测到了单个萘酞菁分子内部不同的振动模式的空间分布；对单个功能化分子内部的化学键实现了选择性操纵。在此基础上，江颖课题组和王恩哥课题组紧密合作，通过仔细的论证和不懈的探索，成功地把亚分子级分辨成像和操控技术应用到水科学领域，开创性地把扫描隧道显微镜的针尖作为顶栅极，以皮米（1皮米相当于1米的一万亿分之一）的精度控制针尖与水分子之间的距离和耦合强度，调控水分子的轨道态密度在费米能级附近的分布，从而大大提高了成像的信噪比，使得研究人员捕捉到水分子更清晰的面貌。基于高分辨率的水分子图像，研究人员还可以进一步确定水分子在表面上的取向。

利用和改变水的特性将成为可能

普普通通的一滴水中，就有无数个水分子。那么，这些水分子是怎么凑在一起，变成我们看得见摸得着的水呢？我国科学家给水分子拍照的时候，在这一点上也有重要的发现。此前，科学家们已经知道，水分子和水分子之间是由氢键相连的，氢键的构型和方向性决定了水的很多特性。如何在微观上确定水的氢键网络构型是水科学领域的关键科学问题之一。如果能拍摄到水分子的内部结构和空间取向，将使得在实验中直接解析水的氢键网络构型成为可能，这是很多实验科学家梦寐以求的事情。我国科学家不仅拍摄到单个水分子的结构，还拍到了由4个水分子组成的水团簇，通过高分辨率的轨道图像首次成功解析出了水团簇的微观氢键构型，并且发现，水分子之间通过氢键连接的时候，还存在着一定的方向性。结合第一性原理计算，研究人员发现以往报道的盐表面的水分子团簇都不是最稳定的构型，并提出了一种全新的四聚体吸附结构。

水分子内部结构长什么样，水分子和水分子之间如何连接，它们在不同的固体表面，又有怎样不同的变化，我国科学家开展的这些研究，都有助于人们利用和改变水的特性，在现实生活中有广泛的应用。

（来源：光明日报、人民日报）