液態水能夠維持地球上的生命，但其物理特性在科研人員中仍然很神秘。最近，一組瑞士研究研究人員使用現有的太赫茲光譜技術測量液態水的氫鍵。通過這種技術在未來可能會有助于解釋水的特殊性質。 該團隊在AIP出版社的《The Journal of Chemical Physics》上報告了他們的發現。
“這篇論文的特別之處在于使用太赫茲光譜學分析液體方面，在太赫茲范圍內，我們明確地使用太赫茲光譜研究了該系統在分子間的自由度，以便將其與分子內自由度進行對比，”文章作者Peter Hamm說道。 “通過太赫茲光譜學，我們可以直接看到各種水分子之間的氫鍵。”
研究人員使用光譜學來測量物質與光線的相互作用并推斷出物體的物理組成。 在這個實驗中，研究人員用超短的可見激光脈沖激發溶解在水中的染料分子，并改變其電荷分布。 然后，使用太赫茲脈沖測量周圍水分子的響應作為激發過程之后的時間的函數。
由于太赫茲光譜的頻率相對較低，使研究人員能夠檢查水分子之間存在的力。觀察這些分子間作用力可以幫助研究人員了解水的異常情況，因為液態水分子中的氫鍵結合賦予了水的多種意想不到的特性，例如它在4攝氏度時的最大不尋常密度。
Hamm說：“我們在太赫茲頻率范圍內發現水的響應速度驚人地慢。水通常被認為是一種溶解種速度非常快的溶劑，其響應速度在亞皮秒范圍內，但我們在太赫茲中發現了大約10皮秒的時間尺度。 他們將變慢時間表歸因于使用太赫茲光譜探測到的水響應的集合體性質。
但Hamm澄清說，研究人員已經使用太赫茲光譜超過20年，并謹慎的對結果表示樂觀。 “結果往往有點令人失望，因為像水這樣的液體的太赫茲光譜非常廣泛和模糊，并且很難從中提取信息”。 像本研究中一樣，時間分辨技術可能會克服這一限制。
接下來，研究人員計劃使用他們的方法來觀察水的結構和動態，當它仍然是液體，但低于冰點時。 Hamm解釋說：“如果溫度低于冰點，水的特性變得更加明顯。”
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