化學(xué)家首次揭示了水的完整量子性質(zhì)

埃默里大學(xué)（Emory University）的化學(xué)家團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)了第一個(gè)水的完整量子力學(xué)模型，該模型可以詳細(xì)、準(zhǔn)確地描述大量水分子如何相互作用[1]。研究人員還為該模型開(kāi)發(fā)了免費(fèi)的開(kāi)源軟件——q-AQUA。

相關(guān)研究作為封面文章發(fā)表在《物理化學(xué)快報(bào)》上[2]。

《物理化學(xué)快報(bào)》6月刊封面。

水覆蓋了地球表面的大部分，對(duì)所有生物體都至關(guān)重要。它由簡(jiǎn)單的分子組成：每個(gè)水分子由兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子結(jié)合而成。盡管水的組成簡(jiǎn)單并廣泛存在，描述H2O分子的相互作用在任何條件下都存在重大挑戰(zhàn)：盡管牛頓定律支配著經(jīng)典世界中重物的行為、行星的運(yùn)動(dòng)；然而在原子和電子水平上的極輕物體是量子世界的一部分——受量子力學(xué)系統(tǒng)的薛定諤方程支配。

“每個(gè)水分子由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成，按重量計(jì)算，人類(lèi)身體的70%都是水；然而從化學(xué)的角度來(lái)看，我們并不真正了解水分子如何與生物系統(tǒng)相互作用?！卑Ｄ锎髮W(xué)理論化學(xué)教授、該研究的資深作者Joel Bowman表示，雖然經(jīng)典世界中大而復(fù)雜的問(wèn)題可以分為需要解決的碎片，但量子世界中的物體太“模糊”，無(wú)法分解成離散的碎片。

Bowman是反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論專(zhuān)業(yè)創(chuàng)始人之一，大部分職業(yè)生涯都致力于尋求對(duì)各種形式的水的更深入理解。

研究人員試圖通過(guò)將水分解成水分子簇的相互作用來(lái)產(chǎn)生水的量子模型。Bowman把它比作聚會(huì)上聚集成兩個(gè)、三個(gè)或四個(gè)人的對(duì)話(huà)小組的人?！跋胂笠幌?，你試圖想出一個(gè)模型來(lái)描述每個(gè)人群中的對(duì)話(huà)，并且可以擴(kuò)展到整個(gè)聚會(huì)。首先，需要收集兩個(gè)人說(shuō)話(huà)的數(shù)據(jù)，并確定他們?cè)谡f(shuō)什么、誰(shuí)在說(shuō)什么以及談話(huà)的含義。當(dāng)你試圖對(duì)三個(gè)人之間的對(duì)話(huà)進(jìn)行建模時(shí)，它會(huì)變得更加困難。當(dāng)你最多有四個(gè)人時(shí)，這幾乎是不可能的，因?yàn)橛刑嗟臄?shù)據(jù)向你襲來(lái)。”

因此，研究人員使用了強(qiáng)大的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，使計(jì)算機(jī)能夠捕獲多個(gè)水分子組的相互作用。“把它帶到四體水平是非常困難的，這是以前沒(méi)有人做過(guò)和發(fā)表過(guò)的研究，”Bowman說(shuō)，“我們知道如果能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標(biāo)，從某種意義上說(shuō)，將是整個(gè)過(guò)程的頂點(diǎn)?！?/span>然而，與人不同的是，單個(gè)水分子都是相同的。這種對(duì)稱(chēng)性使研究人員能夠在兩體、三體和四體水分子的集合之間的相互作用模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行構(gòu)建，以便將其應(yīng)用于更大的分子組。

2體、3體、4體和各種水六聚體異構(gòu)體的總解離能（千卡/mol）。

“水分子的四體相互作用似乎是控制水分子所有相互作用的最終相互作用。”為測(cè)試這一模型，研究人員在一定溫度范圍內(nèi)對(duì)多達(dá)256個(gè)水分子同時(shí)在兩個(gè)、三個(gè)和四個(gè)分子組的相互作用進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬。結(jié)果表明，即使在這種規(guī)模上，該模型也非常準(zhǔn)確。

通過(guò)經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)（MD）和路徑積分分子動(dòng)力學(xué)（PIMD）模擬，對(duì)298K的液態(tài)水的OO、OH和HH徑向分布函數(shù)的核量子效應(yīng)。模擬在所有1體、2體、3體和4體相互作用的完整q-AQUA下進(jìn)行。

“我相信我們已經(jīng)找到了缺失的部分，對(duì)水有了一個(gè)完整的、微觀的理解。之后可以將我們的模型帶到多達(dá)3000或4000個(gè)相互作用的水分子，”Bowman說(shuō)，“計(jì)算機(jī)的工作量將增加很多，但這些是我們下一步運(yùn)行計(jì)劃的模擬，因?yàn)槲覀円呀?jīng)為模型建立了概念證明?！?/span>

Bowman說(shuō)，該模型也可以作為開(kāi)發(fā)類(lèi)似的、更簡(jiǎn)化的模型跳板：這些模型需要更少的計(jì)算機(jī)能力，但仍然足夠準(zhǔn)確并可以對(duì)水的量子力學(xué)做出有用預(yù)測(cè)。與此同時(shí)，作者希望其他研究人員能夠下載免費(fèi)的q-AQUA軟件，并用它來(lái)深入研究更多關(guān)于水的未解問(wèn)題。

參考鏈接：

[1]https://news.emory.edu/features/2022/06/esc-quantum_nature_of_water-28-06-2022/

[2]https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.2c00966