北理工在太赫茲波探測(cè)液態(tài)水中氫鍵運(yùn)動(dòng)研究方面取得新進(jìn)展
發(fā)布日期：2020-08-28 供稿：光電學(xué)院
編輯：盛筠 審核：楊亞楠 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學(xué)光電學(xué)院趙躍進(jìn)教授課題組同首都師范大學(xué)張亮亮研究員課題組合作，在太赫茲波探測(cè)液態(tài)水中氫鍵運(yùn)動(dòng)研究方面取得新進(jìn)展。他們發(fā)現(xiàn)在自由下落的水膜上施加超強(qiáng)的寬帶太赫茲脈沖會(huì)引起折射率的可測(cè)量變化，這與液態(tài)水中共振激發(fā)的氫鍵振動(dòng)有關(guān)。該研究實(shí)現(xiàn)了在亞皮秒時(shí)間分辨率下對(duì)液態(tài)水中超快的氫鍵動(dòng)力學(xué)演化過程的觀察。該研究成果以"Ultrafast Hydrogen-Bond Dynamics of Liquid Water revealed by Terahertz-induced Transient Birefringence" 為題在線發(fā)表在國(guó)際光學(xué)頂尖期刊Light: Science & Applications上。
液態(tài)水是世界上最常見的物質(zhì)，但迄今為止我們對(duì)水的了解仍然不全面，尤其是分子水平上的行為。這與液態(tài)水分子復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及超快的演化過程有關(guān)。當(dāng)一個(gè)水分子以近乎四面體構(gòu)型與相鄰水分子形成氫鍵時(shí)，這個(gè)三維的網(wǎng)絡(luò)包含著復(fù)雜的分子間自由度，其中的動(dòng)力學(xué)過程也非比尋常。受分子間結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)強(qiáng)烈影響的介電敏感性可以反映從千兆赫茲（GHz）到太赫茲（THz）頻率范圍內(nèi)分子的集體和/或協(xié)同運(yùn)動(dòng)。利用光學(xué)方法評(píng)估液態(tài)介質(zhì)的介電敏感性一直以來都是探究其基礎(chǔ)性質(zhì)的重要手段。近年來，遠(yuǎn)紅外光譜法、低頻拉曼光譜法、透射太赫茲時(shí)域光譜法和2D拉曼-太赫茲光譜法等光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐漸加深了對(duì)氫鍵網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性以及重排列動(dòng)力學(xué)的了解。然而，由于分子集體和協(xié)同運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性以及分子和分子間相關(guān)模式的光譜重疊，使得精準(zhǔn)探究每種運(yùn)動(dòng)模式對(duì)介電敏感性的貢獻(xiàn)變得困難。
水分子間氫鍵動(dòng)力學(xué)的振動(dòng)光譜位于太赫茲范圍內(nèi)，因此利用太赫茲脈沖共振激發(fā)分子間氫鍵振動(dòng)，可以大大增強(qiáng)其在多種水分子運(yùn)動(dòng)模式中的辨識(shí)度。該工作在實(shí)驗(yàn)上使用時(shí)間分辨的太赫茲克爾效應(yīng)（TKE）技術(shù)選擇性的共振激發(fā)液態(tài)介質(zhì)中一種或幾種分子運(yùn)動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低頻分子間自由度的直接訪問以及高精度的實(shí)時(shí)觀察，從而更準(zhǔn)確地了解液態(tài)水中氫鍵約束下的分子運(yùn)動(dòng)。更進(jìn)一步的，作者利用一種與介電敏感性相關(guān)的氫鍵諧振子模型，對(duì)實(shí)驗(yàn)中亞皮秒尺度下觀察到的氫鍵行為進(jìn)行描述；再結(jié)合相對(duì)微弱的水分子集體重定向和超快的電子過程，從理論上建立了宏觀各向異性表現(xiàn)與相關(guān)分子間運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，并成功地復(fù)現(xiàn)了測(cè)量的TKE信號(hào)。該工作中展現(xiàn)的亞皮秒尺度的時(shí)間分辨率，對(duì)于觀察和理解液態(tài)水中分子間運(yùn)動(dòng)模式的瞬態(tài)演化具有重要意義，也為進(jìn)一步探究試劑與溶劑水分子的復(fù)雜相互作用打下基礎(chǔ)。
該項(xiàng)成果得到了北京市杰出青年基金、國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金和青年基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金和北京市成像技術(shù)高精尖創(chuàng)新中心的支持。本文共同第一作者為北京理工大學(xué)光電學(xué)院博士生趙航、譚永，通訊作者為北京理工大學(xué)光電學(xué)院趙躍進(jìn)教授和首都師范大學(xué)物理系張亮亮研究員。合作者包括美國(guó)羅切斯特大學(xué)張希成教授，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院張銳博士，和首都師范大學(xué)物理系張存林教授、Mostafa Shalaby博士。
圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖
圖2 a水和重水的太赫茲克爾效應(yīng)的時(shí)域特征。b超快時(shí)域演化的理論模擬
論文全文下載地址：https://doi.org/10.1038/s41377-020-00370-z
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