光谱技术可以分离出表面的水分子揭示它们在被激发后如何放松

日本理化学研究所的科学家在《自然通讯》杂志上发表的一项研究中，更全面地揭示了水分子在与空气的界面上如何失去能量。这一发现对于更好地理解水面发生的过程很有价值。

水在很多方面都是异常的。例如，它的冰点和沸点比预期的要高得多，并且它在固体(冰)状态下的密度比在液体状态下的密度要小。

水的几乎所有特殊性质都源于相邻水分子之间不断形成和断裂的弱键。这些键被称为氢键，是因为氧比氢更能吸引电子。因此，一个分子中略带负电的氧会被另一个分子中略带正电的氢吸引。

但一小片水分子(位于表面的分子)与其他水分子形成氢键的方式不同。在这种情况下，伸向空气的臂不会形成氢键。

到目前为止，还没有人能够发现这些表面分子的手臂在被拉伸后是如何松弛的。这是因为从这些分子中分离信号极具挑战性。

日本理化学研究所分子光谱实验室的 Tahei Tahara 表示：“我们对液体内部水分子的行为有很好的了解，但对界面处水分子的理解却远远落后。”

在过去的十年中，由田原领导的团队一直在尝试通过开发高度复杂的光谱技术来探测表面水分子的相互作用，以纠正这种情况。

目前，该团队已经开发出一种基于红外光谱的技术，其灵敏度足够高，可以检测出表面水分子的氧氢键如何松弛。

利用该技术，研究小组发现，伸入空气的氧氢键首先会旋转而不会损失能量。然后，它们会以类似于液体中形成氢键网络的分子的方式松弛。

“从这个意义上讲，界面上的分子和液体内部的分子在与邻近分子相互作用后并没有太大区别——它们都具有相同的松弛过程，”Tahara 说。“这些发现全面描绘了氧氢键在水面上如何伸展的画面。”

Tahara 和他的团队现在打算使用他们的光谱技术来观察水界面上发生的化学反应。