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研究背景

水是地球上最常見且最重要的溶劑之一，廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)是水的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征，這種三維網(wǎng)絡(luò)在水的許多物理化學(xué)性質(zhì)中起著關(guān)鍵作用。水分子通過氫鍵相互作用，形成一個(gè)高度動(dòng)態(tài)且協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的單一分子間作用力不同，水分子的氫鍵相互作用表現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化，其中電子電荷轉(zhuǎn)移和核量子效應(yīng)（NQE）是影響氫鍵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的重要因素。電荷轉(zhuǎn)移通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，而NQE則由于氫原子的小質(zhì)量，導(dǎo)致水的性質(zhì)受到量子效應(yīng)的顯著影響。這些效應(yīng)對水的結(jié)構(gòu)、溶解度以及生物化學(xué)過程等方面產(chǎn)生重要影響。

然而，由于水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)在分子層面上相互依賴且復(fù)雜，研究者在準(zhǔn)確測量這些相互作用時(shí)遇到了不少挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的振動(dòng)光譜技術(shù)雖然能提供水的振動(dòng)特性，但很難單獨(dú)分離分子間和分子內(nèi)的相互作用，且對電子轉(zhuǎn)移和NQE的探測能力有限。因此，如何精確地探測水中氫鍵的結(jié)構(gòu)變化及其對水的物理化學(xué)性質(zhì)的影響，一直是科研領(lǐng)域的一個(gè)難題。

成果簡介

為了解決這一問題，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院SylvieRoke教授團(tuán)隊(duì)在《Science》上發(fā)表題為“Dissecting the hydrogen bond network of water: Charge transfer and nuclear quantum effects”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了關(guān)聯(lián)振動(dòng)光譜（CVS），一種基于對稱性的方法，能夠在自相關(guān)和交叉相關(guān)光譜中有效區(qū)分相互作用分子和非相互作用分子。該技術(shù)的創(chuàng)新之處在于，通過結(jié)合二次諧波（SH）和超拉曼散射（HRaS）與非線性光散射的理論，首次實(shí)現(xiàn)了對水中氫鍵的精確解析，突破了傳統(tǒng)光譜技術(shù)的局限性。

利用CVS，研究人員成功地量化了水分子中的電荷轉(zhuǎn)移和NQE效應(yīng)。他們發(fā)現(xiàn)，氫氧根離子（OH?）在水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中捐贈(zèng)了約8%的負(fù)電荷，而水合氫離子（H3O+）則從氫鍵網(wǎng)絡(luò)中接受了約4%較少的負(fù)電荷。此外，重水（D2O）相較于水（H2O）具有約9%更多的氫鍵，而酸性溶液表現(xiàn)出比堿性溶液更顯著的NQE。該研究成果不僅為水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)提供了更為深入的理解，也為進(jìn)一步探討電荷轉(zhuǎn)移和NQE對水的影響提供了新的實(shí)驗(yàn)方法和理論依據(jù)。

研究亮點(diǎn)

1. 實(shí)驗(yàn)首次采用關(guān)聯(lián)振動(dòng)光譜（CVS）技術(shù)，揭示了液態(tài)水中氫鍵的電子電荷轉(zhuǎn)移和核量子效應(yīng)（NQE）：該方法結(jié)合了二次諧波和超拉曼散射，能夠在自相關(guān)和交叉相關(guān)光譜中分離相互作用分子與非相互作用分子，首次提供了液態(tài)水中氫鍵相互作用的詳細(xì)分子級(jí)信息。

2. 實(shí)驗(yàn)通過CVS技術(shù)量化了水中氫鍵網(wǎng)絡(luò)的電荷轉(zhuǎn)移和NQE：結(jié)果表明，氫氧根離子（OH?）向水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)捐贈(zèng)了約8%的負(fù)電荷，而水合氫離子（H3O+）則從水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中接受了約4%較少的負(fù)電荷。此外，D2O相比于H2O具有約9%更多的氫鍵。

3. 酸性溶液和堿性溶液中，NQE表現(xiàn)存在差異：酸性溶液中，氫鍵網(wǎng)絡(luò)中的NQE效應(yīng)更為顯著，而堿性溶液中的NQE較弱。這一現(xiàn)象可以通過電荷分布的差異進(jìn)行解釋：在酸性溶液中，電荷轉(zhuǎn)移主要局限于第一水合殼層，而在堿性溶液中，電荷則較為彌散，分布在多個(gè)水合殼層中。

圖文解讀

圖1. 相關(guān)振動(dòng)光譜：光譜分離分子間相互作用。

圖2. OH-/H+誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移。

圖3. 通過核量子效應(yīng)，量化氫鍵強(qiáng)度的降低。

結(jié)論展望

CVS方法通過分別測量每個(gè)貢獻(xiàn)的光譜，顯著區(qū)分了分子間和分子內(nèi)的相互作用。迄今為止，沒有其他實(shí)驗(yàn)方法能夠獲取這樣的信息，因?yàn)槠渌麥y量方法總是包含兩者的混合。此外，由于CVS只需要在特定的散射角度或偏振組合下進(jìn)行測量，因此它本質(zhì)上是無模型的（無需擬合），且光譜可以使用常見的脈沖光源、光譜儀和探測器記錄。CVS為低頻模式提供了可以訪問的途徑，這些模式對局部結(jié)構(gòu)非常敏感，而通過其他手段測量這些模式是一個(gè)挑戰(zhàn)。額外的對稱性選擇規(guī)則使得獲取之前無法獲得的信息成為可能，正如本研究中通過解析酸性和堿性溶液中的電子電荷轉(zhuǎn)移和核量子效應(yīng)（NQEs）所展示的那樣。其他實(shí)驗(yàn)測量了氫離子（H+）或氫氧根離子（OH?）的反離子效應(yīng)，而模擬也無法獲取這些信息，因?yàn)殡娮与姾傻姆峙渚_數(shù)值依賴于所使用的計(jì)算方法。

在研究酸性和堿性溶液時(shí)，我們測量到OH?向水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)捐贈(zèng)了8 ± 1%的負(fù)電荷，而H3O+從水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中接受了4 ± 1%較少的負(fù)電荷。通過對OH?和H+的AIMD模擬，研究表明這一差異來源于電子的擴(kuò)展和分布方式：氫氧根離子通過O原子的孤對電子環(huán)與至少三個(gè)水化殼共享電荷，而質(zhì)子僅與最近鄰的水分子共享電荷。這導(dǎo)致了頻率的變化，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。在H2O中，氫鍵的結(jié)合能比D2O弱10%，這是NQEs的體現(xiàn)，可能是由于H2O中的氫鍵數(shù)量比D2O少約9 ± 0.3%。NQEs在酸性溶液中也表現(xiàn)得尤為突出，通過減少電荷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致重水中氫鍵拉伸模式的頻率發(fā)生較大變化，同時(shí)也表現(xiàn)出較長的振動(dòng)弛豫時(shí)間。而在堿性溶液中，這一現(xiàn)象則不明顯，因?yàn)殡姾赊D(zhuǎn)移擴(kuò)展至多個(gè)水化殼。

直接量化氫鍵強(qiáng)度的能力是一種強(qiáng)大的方法，可以用來澄清任何溶液的分子級(jí)細(xì)節(jié)，允許探測水結(jié)構(gòu)以及溶質(zhì)的變化，無論是小分子還是大分子，如電解質(zhì)、滲透保護(hù)劑、糖、氨基酸、DNA和蛋白質(zhì)等。由于CVS不局限于水，并且具有獨(dú)特的對稱性選擇規(guī)則，它可以為其他系統(tǒng)和過程提供豐富的信息，例如液體中的相互作用、相變以及二維和三維晶體中結(jié)構(gòu)缺陷的表征。

文獻(xiàn)信息

Mischa Flór et al. ,Dissecting the hydrogen bond network of water: Charge transfer and nuclear quantum effects.

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2024/12/09/08d031fb84/

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