液态水能够维持地球上的生命，但其物理特性在科研人员中仍然很神秘。最近，一组瑞士研究研究人员使用现有的太赫兹光谱技术测量液态水的氢键。通过这种技术在未来可能会有助于解释水的特殊性质。 该团队在AIP出版社的《The Journal of Chemical Physics》上报告了他们的发现。
“这篇论文的特别之处在于使用太赫兹光谱学分析液体方面，在太赫兹范围内，我们明确地使用太赫兹光谱研究了该系统在分子间的自由度，以便将其与分子内自由度进行对比，”文章作者Peter Hamm说道。 “通过太赫兹光谱学，我们可以直接看到各种水分子之间的氢键。”
研究人员使用光谱学来测量物质与光线的相互作用并推断出物体的物理组成。 在这个实验中，研究人员用超短的可见激光脉冲激发溶解在水中的染料分子，并改变其电荷分布。 然后，使用太赫兹脉冲测量周围水分子的响应作为激发过程之后的时间的函数。
由于太赫兹光谱的频率相对较低，使研究人员能够检查水分子之间存在的力。观察这些分子间作用力可以帮助研究人员了解水的异常情况，因为液态水分子中的氢键结合赋予了水的多种意想不到的特性，例如它在4摄氏度时的最大不寻常密度。
Hamm说：“我们在太赫兹频率范围内发现水的响应速度惊人地慢。水通常被认为是一种溶解种速度非常快的溶剂，其响应速度在亚皮秒范围内，但我们在太赫兹中发现了大约10皮秒的时间尺度。 他们将变慢时间表归因于使用太赫兹光谱探测到的水响应的集合体性质。
但Hamm澄清说，研究人员已经使用太赫兹光谱超过20年，并谨慎的对结果表示乐观。 “结果往往有点令人失望，因为像水这样的液体的太赫兹光谱非常广泛和模糊，并且很难从中提取信息”。 像本研究中一样，时间分辨技术可能会克服这一限制。
接下来，研究人员计划使用他们的方法来观察水的结构和动态，当它仍然是液体，但低于冰点时。 Hamm解释说：“如果温度低于冰点，水的特性变得更加明显。”
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