单一的分子引起巨大的轰动:如何理解两种水？

诸平

据日本东京大学（University of Tokyo）网站2022年1月6日报道，在理解这两种水的时候，一个单一的分子就会引起巨大的轰动（A single molecule makes a big splash in the understanding of the two types of water）

水在人类生存中扮演着重要的角色，也是我们宇宙的主要组成部分，然而关于水，我们还有很多不了解的地方。为了解决这一知识缺口，日本东京大学、京都大学（Kyoto University）和日本东北大学（Tohoku University）的一个合作团队，研究了C₆₀笼中单个水分子的电子传输。

他们的发现于2021年12月2日已经在《纳米快报》（Nano Letters）杂志网站发表——Shaoqing Du（杜少卿）, Yoshifumi Hashikawa（橋川祥史）, Haruka Ito, Katsushi Hashimoto（橋本克之）, Yasujiro Murata（村田靖次郎）, Yoshiro Hirayama（平山祥郎）, Kazuhiko Hirakawa（平川一彦）. Inelastic Electron Transport and Ortho–Para Fluctuation of Water Molecule in H₂O@C₆₀ Single Molecule Transistors. Nano Letters, 2021, 21(24): 10346–10353. Publication Date: December 2, 2021. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c03604. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03604

简单的系统通常是确定复杂信息的最佳起点。单个水分子就是这样一个系统。它仅由三个原子组成，为建立量子力学信息提供了一个极好的模型。

将一个水分子引入一个C₆₀笼中得到了H₂O@C₆₀，这是一个分离水进行研究的极好方法。研究人员通过“分子手术（molecular surgery）”实现了这一目标，该手术包括打开笼子，注入水，然后再次关闭笼子。

H₂O@C₆₀被用作单分子晶体管(single molecule transistor简称SMT)，通过将一个H₂O@C₆₀分子安装在两个金电极之间的非常小的间隙(小于1纳米)。由于电流只通过孤立的分子，所以电子输运的研究具有较高的专一性。

对于H₂O@C₆₀单分子晶体管（H₂O@C₆₀SMT）而言，会形成了一个电导图，也被称为“库仑稳定性图（Coulomb stability diagram）”。水分子表现出多个隧穿激发的激发态。相比之下，空C₆₀笼SMT的库仑稳定性图只有两个激发态。

东京大学生产技术研究所特任助教、该研究的第一作者杜少卿解释说：“因为水含有两个氢原子，所以它有两个不同的核自旋态:邻水(ortho-water)和对水(para-water)。在邻水中，氢核自旋方向相同，而在对水中，它们的方向相反。了解这两种水之间的过渡是一个重要的研究领域。”

研究人员测量了H₂O@C₆₀系统的隧穿谱（tunneling spectra），通过将结果与理论计算结果进行比较，可以将测量的电导峰归因于水分子的旋转和振动激发。他们还利用太赫兹光谱对H₂O@C₆₀进行了研究，结果与隧穿谱数据一致。

这两种技术同时显示了邻水和对水的量子旋转激发。这表明单水分子在两个核异构体(邻水和对水)之间的过渡在实验的时间框架内，这大约是一分钟。

该研究的通讯作者、东京大学生产技术研究所平川一彦教授说:“我们的发现对理解水分子中的邻对位波动做出了重要贡献。因为水在化学和生物学中扮演着如此重要的角色，甚至在理解我们的宇宙中也是如此重要，我们希望我们的发现能产生广泛的影响。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。 

Abstract

Light molecules such as H₂O are the systems in which we can have access to quantum mechanical information on their constituent atoms. Here, we have investigated electron transport through H₂O@C₆₀ single molecule transistors (SMTs). The H₂O@C₆₀ SMTs exhibit Coulomb stability diagrams that show multiple tunneling-induced excited states below 30 meV. Furthermore, we have performed terahertz (THz) photocurrent spectroscopy on H₂O@C₆₀ SMTs and confirmed the same excitations. From comparison between experiment and theory, the excitations observed below 10 meV are identified to be the quantum rotational excitations of the water molecule. Surprisingly, the quantum rotational excitations of both para- and ortho-water molecule are observed simultaneously even for a single water molecule, indicating that the fluctuation between the ortho- and para-water states takes place in a time scale shorter than our measurement time (～1 min), probably by the interaction between the encapsulated water molecule and conducting electrons.