據外媒報道，水是自然界中最豐富卻又最不為人所知的液體。它表現出許多科學家仍難以解釋的奇怪行為。大多數液體溫度越低密度越大，而水的密度在39華氏度（略高於冰點）時最高。這就是為什麼冰會浮到飲水杯的頂部，而湖泊則是表面以下的位置會結冰從而讓海洋生物能在寒冷的冬天生存。
水還具有異常高的表面張力進而使昆蟲能在其表面行走，另外還具有巨大的存儲熱量的能力從而使得海洋保持穩定的溫度。
現在，一個由來自美能源部SLAC國家加速器實驗室、斯坦福大學和瑞典斯德哥爾摩大學的研究人員組成的團隊首次直接觀察到，當水分子被激光激發時水分子中的氫原子是如何拉動和推動鄰近的水分子的。他們的研究結果發表已於當地時間8月25日發表在《自然》上。這項研究揭示了可能支持水的奇怪屬性的微觀起源的關鍵方面的影響，並可能讓人們更好地理解水是如何幫助蛋白質在生物體內發揮作用的。
“儘管這種所謂的核量子效應被假設為許多水的奇怪性質的核心，但這個實驗標誌着它首次被直接觀察到，”這項研究的論文合作者、斯德哥爾摩大學化學物理學教授Anders Nilsson說道，“問題是，這種量子效應是否可能是描述水異常特性的理論模型中缺失的一環。”
每個水分子包含一個氧原子和兩個氫原子，一個分子中帶正電的氫原子和相鄰分子中帶負電的氧原子之間的氫鍵網將它們連接在一起。這種複雜的網絡是水的許多令人費解的特性背後的驅動力，但直到最近，研究人員還無法直接觀察水分子是如何跟它的鄰居相互作用的畫面。
“氫原子的低質量突出了它們的量子波行為，”合作夥伴、SLAC斯坦福脈衝研究所科學家Kelly Gaffney表示，“這項研究首次直接證明，氫鍵網絡對能量脈衝的響應關鍵取決於氫原子間距的量子力學性質。長期以來，它被認為是水及其氫鍵網絡的獨特屬性的原因。”
到目前為止，由於氫鍵的運動是如此得微小和快速，要進行這樣的觀察一直以來都是一個挑戰。然而現在這個實驗使用SLAC的MeV-UED克服了這個問題，MeV-UED是一種高速的“電子攝像機”，它通過向樣品散射強大的電子束來探測分子的細微運動。
該研究小組創造了100納米厚的液態水射流–約是人類頭髮寬度的1000倍–並用紅外激光使水分子振動。然後，他們使用MeV-UED產生的高能電子短脈衝轟擊這些分子。
這產生了高分辨率的分子原子結構變化的快照，它們串在一起以形成一個定格動畫電影，這展示了水分子網絡如何對光作出反應。
這些快照聚焦於三個水分子組成的一組，其揭示了當一個激發態的水分子開始振動時氫原子將鄰近水分子中的氧原子拉得更近，然後使用新發現的強度將它們推開以擴大分子之間的空間。
“很長一段時間以來，研究人員一直試圖利用光譜學技術來了解氫鍵網絡，”前SLAC科學家、現任中國清華大學教授的Jie Yang說道，“這個實驗的美妙之處在於，我們第一次能夠直接觀察這些分子是如何運動的。”
研究人員希望利用這種方法來深入了解氫鍵的量子性質以及它們在水的奇異性質中所起的作用、這些性質在許多化學和生物過程中所起的關鍵作用。
“這真的為研究水打開了一扇新的窗戶，”SLAC科學家和論文研究合作者Xijie Wang指出，“現在我們終於可以看到氫鍵的運動，我們想把這些運動跟更廣闊的圖景聯繫起來，這可能會闡明水是如何導致地球上生命的起源和生存的並為可再生能源方法的發展提供信息。”
