水分子神秘原子级运动的新见解

拓扑绝缘体上水分子运动的示意图。

水在我们周围，对生命至关重要。然而，在原子层面上对其行为的研究-最重要的是它如何与表面相互作用-在地面上是很薄的。借助一种新的实验方法，格拉茨大学的研究人员现已提供了对水分子原子级运动的见解，他们在2020年1月14日发表在《自然通讯》上的一篇论文中对此进行了概述。

水是一种神秘的物质。对于实验物理学家来说，了解其在原子水平上的行为仍然是一个挑战，因为使用常规实验方法很难观察到轻氢和氧原子。对于希望研究皮秒内从表面流出的单个水分子的微观运动的任何研究人员而言，尤其如此。正如他们在题为“拓扑绝缘体上水的纳米扩散”的论文中所报道的那样，来自格拉茨大学实验物理研究所外来表面工作组的研究人员与剑桥大学卡文迪许实验室的同行合作。萨里大学和奥胡斯大学。他们在一起取得了长足的进步，对水的行为进行了研究，这种水目前吸引了特别的兴趣：一种称为碲化铋的拓扑绝缘体。该化合物可用于构建量子计算机。水蒸气将是在操作过程中可能暴露于基于碲化铋的应用的环境因素之一。

AntonTamtögl（左下）与格拉茨工业大学实验物理研究所的研究同事一起。

在研究过程中，研究小组结合使用了一种称为氦自旋回波光谱法的新实验方法和理论计算方法。氦自旋回波光谱法使用能量非常低的氦原子，可以观察到孤立的水分子，而不会影响其在此过程中的运动。研究人员发现，与传统金属相比，碲化铋上的水分子行为完全不同。在此类金属上，可以观察到水分子之间的吸引相互作用，从而导致薄膜形式的堆积。但是与拓扑绝缘体相反的情况是：水分子彼此排斥，并在表面保持隔离。

碲化铋似乎不透水，这对于暴露于典型环境条件下的应用而言是一个优势。已经制定了计划在相似结构的表面上进行进一步的实验，目的是阐明水分子的运动是否归因于所讨论表面的特定特征。

参考：自然通讯，“ AntonTamtögl，Marco Sacchi，Nadav Avidor，IreneCalvo-Almazán，Peter S.M. Townsend，Martin Bremholm，Philip Hofmann，John Ellis和William Allison的“纳米水在拓扑绝缘体上的扩散”，自然通信，DOI：2020年。
10.1038 / s41467-019-14064-7

该研究领域是TU Graz先进材料科学专业领域的一部分，该领域是该大学的五个战略研究重点之一。