[论文解读] Evidence of a new quantum state of nano-confined water

George Reiter, А. И. Колесников+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2011

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用 9

一句话总结

本研究通过直接实验提供了纳米限域水中一种新型量子态的证据，其中质子动量分布因双阱势中的强非谐性和相干离域化而显著偏离体相水。关键发现是零点动能发生高达±120 meV的偏移，表明在约20 Å尺度的限域条件下，其量子基态具有定性不同的特性，该现象在单壁碳纳米管、Nafion及质子交换膜中均被观测到。

ABSTRACT

Deep Inelastic Neutron Scattering provides a means of directly and accurately measuring the momentum distribution of protons in water, which is determined primarily by the protons ground state wavefunction. We find that in water confined on scales of 20A, this wave function responds to the details of the confinement, corresponds to a strongly anharmonic local potential, shows evidence in some cases of coherent delocalization in double wells, and involves changes in zero point kinetic energy of the protons from -40 to +120 meV difference from that of bulk water at room temperature. This behavior appears to be a generic feature of nanoscale confinement. It is exhibited here in 16A inner diameter carbon nanotubes, two different hydrated proton exchange membranes(PEMs), Nafion 1120 and Dow 858, and has been seen earlier in xerogel and 14A diameter carbon nanotubes. The proton conductivity in the PEM samples correlates with the degree of coherent delocalization of the proton.

研究动机与目标

• 研究纳米尺度限域如何改变水中质子的量子力学行为。
• 确定限域水中氢键网络是否表现出超越经典静电模型的集体量子效应。
• 探讨质子动量分布、量子相干性与纳米限域体系中质子电导率之间的关联。
• 确定观测到的质子动量分布偏离是否代表一种与体相水不同的新量子基态。

提出的方法

• 采用深度非弹性中子散射（DINS）测量16 Å双壁碳纳米管、14 Å单壁纳米管、气凝胶及两种质子交换膜（Nafion 1120和Dow 858）中限域水的质子动量分布。
• 实验在冲量近似下进行，即散射时间足够短，使质子在碰撞过程中表现如自由粒子，从而可从散射函数S(q,ω)中提取动量分布n(p)。
• 从双微分截面推导出散射函数J(y)，其中y为依赖动量转移和能量损失的归一化变量，实现动量分布的反演。
• 数据使用ISIS的Vesuvio谱仪采集，48个探测器覆盖35°–75°的散射角，并对多重散射和伽马射线背景进行了校正。
• 对动量分布采用广义高斯拟合，结合关联拉盖尔多项式：n(p) = (1/(√(2πσ)³)) exp(−p²/(2σ²)) × [1 + Σ aₙ(−1)ⁿ L₁/₂ⁿ(p²/(2σ²))]，以提取σ及高阶非谐性参数。
• 零点动能计算为K.E. = (3ħ²/M)σ²，从而实现不同样品间量子能移的比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在约20 Å尺度的纳米限域下，水是否表现出与体相水定性不同的量子态？
• RQ2 限域水中质子动量分布在多大程度上偏离经典静电模型的预测？
• RQ3 质子相干离域程度与质子交换膜中质子电导率之间存在何种关联？
• RQ4 观测到的动量分布偏离能否由单体模型解释，还是需要多体量子关联？
• RQ5 限域水中零点能偏移的大小是多少？其如何随限域几何结构和化学环境变化？

主要发现

• 在170 K下，16 Å双壁碳纳米管中质子动量分布显著偏离体相水，σ = 5.97 Å⁻¹，零点动能为221 meV，表明存在强非谐性。
• 在300 K下，Nafion 1120中动量分布显示σ = 6.28 Å⁻¹，K.E. = 245 meV，a₂ = 2.42，表明存在显著的量子非谐性与相干离域化。
• 在300 K下，Dow 858的σ值最高（6.50 Å⁻¹），K.E.为262 meV，a₂ = 2.70，表明其具有最强的相干离域化，且其质子电导率比Nafion高70%，与之相关。
• 限域水中零点动能相对于体相水的偏移可达±120 meV，表明量子基态能量发生显著位移。
• 观测到的偏离无法用单体模型或德拜-沃勒因子的简单增加解释，暗示存在多体量子关联及氢键网络中的量子相干长度。
• 该结果在多种体系（SWNT、xerogel、PEMs、DWNT）中一致，表明这种新型量子态是纳米尺度水限域的普遍特征。