[本刊讯]北京大学江颖、王恩哥、李新征等在国际上率先测定了氢键的量子成分，揭示了水的核量子效应，相关研究成果于2016年4月15日发表在Science上。
　　水的结构是最具挑战性的科学问题之一，关键困难源于水分子之间的氢键相互作用。通常认为，氢键的本质是经典的静电相互作用，然而氢原子核质量很小，其量子特性往往不可忽视。氢核的量子效应对氢键相互作用的影响究竟如何，这对于理解水/冰的微观结构和反常物性至关重要。
　　为实现对氢核量子特性的精确探测，江颖课题组基于扫描隧穿显微镜研发了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”（tip-enhanced inelastic electron tunneling spectroscopy）技术，突破了传统非弹性电子隧穿谱技术在信噪比和分辨率方面的限制，首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，通过水分子拉伸振动频率的红移，研究人员测得水分子与氯化钠衬底之间形成的单个氢键的键强，进一步通过可控同位素替换实验，在单键的水平上探究了氢核量子效应对氢键强度的影响。
　　为了深入理解氢键的核量子效应，江颖课题组与王恩哥课题组以及李新征研究员合作，利用其开发的基于第一性原理的路径积分分子动力学方法实现了对实验体系的精确模拟。结合同位素替换实验与全量子化计算模拟，研究人员发现氢键的量子成分可以高达14%，远大于室温下的分子热动能，意味着氢核的量子效应不只是对经典氢键相互作用的简单修正，其足以对水的结构和性质产生显著影响。进一步分析表明：氢核的非简谐零点运动会弱化弱氢键，强化强氢键，这个物理图像对于各种氢键体系具有相当普适性，澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。