科學家發現氫鍵對稱性普遍規律
為深入探索氫鍵對稱相關問題，近日，北京高壓科學研究中心（HPSTAR）研究員Thomas Meier帶領國際研究團隊，對一系列不同樣品進行了高壓原位核磁共振光譜測量，并發現了關于氫鍵對稱化的統一規律——不同體系中氫鍵的對稱都發生在氫原子流動最快的臨界點，并且都對應于幾乎相同的氧原子（距離氫原子最近鄰）間距。
相關研究6月1日發表于《自然—通訊》（Nature Communications）。
氫鍵在自然界中無處不在，它們通過穩定DNA分子形成生命物質的骨架，是一些新材料得以存在和發現的關鍵，對氫鍵的研究也是當代凝聚態物質研究的驅動力之一。被氫鍵穩定的體系通常表現出豐富的物理現象，如相變、超離子態或高溫超導性等。這些現象往往發生在氫鍵趨于對稱的時候，即當氫原子位于兩個較重的原子之間的幾何中心位置時（如圖）。
常壓條件下，含有線性氫鍵的物質中的氫鍵是非對稱的，隨著壓力增加，非對稱氫鍵往往會趨于對稱。高壓下不同體系中氫鍵對稱化的過程通常會伴隨著不同的壓縮性能，或者輸運性質等物性的改變，因此研究者往往將氫鍵對稱化與物質的結構相變、高低自旋轉變等變化關聯起來，然而這些關聯性解釋往往又自相矛盾。
之前，在金剛石對頂砧中使用衍射或光譜等常規方法直接研究氫原子一直受限于探測技術本身，導致對這些材料中氫鍵對稱的基本物理機理缺乏深入了解。
核磁共振波譜法是一種廣泛應用于化學和材料科學的診斷方法。然而在高壓條件下，尤其是接近百萬大氣壓的超高壓條件下，運用核磁共振波譜法進行研究面臨巨大挑戰。為解決上述難題，Meier與合作者在該高壓技術的發展上進行了探索與改進。在該工作中，他們使用自主研發的高壓核磁共振技術對冰VII相/X相、鎂硅酸鹽相D，以及含鐵和無鐵鋁氫氧化物進行了高壓原位核磁共振光譜學研究，輔以高壓X射線衍射測量。研究發現，在這些不同體系中，氫鍵對稱發生時，與氫原子最近鄰的氧原子的距離都會達到一個幾乎相等的臨界值，完全獨立于樣品的化學、結構甚至量子力學性質或所研究的氫鍵環境。
以氫原子為中心的局部氫鍵環境示意圖 圖片來源：研究團隊
Meier指出，“這些結果完全出乎我們的意料，因為我們所測試的所有樣品在化學和結構上完全不同。這個結果可以統一和解釋該領域許多相互矛盾的結果，例如，將氫鍵對稱化與結構相變、電子自旋轉變聯系起來。我們的結果表明這些解釋似乎都不正確，氫鍵對稱實際上是一個完全獨立的物理現象——當氫原子的遷移率達到最大時，氫鍵的對稱化就開始了，并非發生于結構相變或自旋轉變的壓力點，因此可以說氫鍵對稱化（從核磁共振的角度）與結構或自旋相變沒有任何關系?！?/span>
相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30662-4
