近期，中科院院士、北京大学教授王恩哥和北京大学教授江颖领导的课题组在国际上首次揭示了水的核量子效应，从全新的角度诠释了水的奥秘。相关研究成果于15日刊发在国际学术期刊《科学》上。

“水的结构是什么？”这是《科学》杂志在创刊125周年时提出的125个最具挑战性的科学问题之一。水的结构之所以如此复杂，一个重要原因是源于水分子之间的氢键相互作用。由于氢原子核质量很小，其量子特性不可忽视，因此氢键同时也包含一定的量子成分。氢核的量子效应对氢键相互作用有多大影响？或者说氢键的量子成分究竟有多大？这个问题对理解水/冰的微观结构和反常物性至关重要。

江颖课题组和王恩哥课题组基于扫描隧道显微镜研发了一套针尖增强的非弹性电子隧穿谱技术，在国际上首次获得了单个水分子的高分辨振动谱，并由此测得单个氢键的强度。通过可控的同位素替换实验，并结合全量子化计算模拟，他们发现氢键的量子成分可远大于室温下的热能，表明氢核的量子效应不只是对经典相互作用的简单修正，其足以对水的结构和性质产生显著的影响。进一步深入分析表明，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，澄清了学术界长期争论的氢键的量子本质。