2016年度中国科学十大进展发布！

对于大多数材料体系而言，一般只需要考虑电子的量子化，原子核则被当作经典粒子来处理。然而，水中三分之二的原子是氢原子，由于氢原子核的质量很小，其量子效应会异常显著。氢核的量子效应对水的氢键相互作用到底有多大影响？或者说氢键的量子成分有多大？被认为是揭开水的奥秘所需要回答的关键问题之一。由于氢核的量子化研究无论对于实验还是理论都非常具有挑战性，这个问题一直没有得到很好的解答。北京大学物理学院王恩哥和江颖研究组与合作者，在相关实验技术和理论方法上分别取得突破：发展了一套“针尖增强的非弹性电子隧穿谱”技术，获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得了单个氢键的强度；开发了基于第一性原理的路径积分分子动力学方法，实现了对电子量子态和原子核量子态的精确描述。基于此，他们在国际上率先测定了氢键的量子成分，首次在原子尺度揭示了水的核量子效应。研究结果表明，氢键的量子成分可远大于室温的热能，氢核的“非简谐零点运动”会弱化弱氢键，强化强氢键，这个物理图像对于各种氢键体系具有相当的普适性。该工作是对“氢键的量子成分究竟有多大”这一物质科学基本问题的首次定量解答，澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质，将有助于理解水和其他氢键体系的很多反常特性。相关研究结果发表在2016年4月15日《科学》(Science[352(6283):321—325])上。该研究被审稿人评价为“氢核量子效应研究的实验杰作”；核量子效应研究领域权威专家德国的Dominik Marx教授认为该工作“完成了难以置信的任务”。