北理工在太赫茲波探測液態水中氫鍵運動研究方面取得新進展


  近日,北京理工大學光電學院趙躍進教授課題組同首都師范大學張亮亮研究員課題組合作,在太赫茲波探測液態水中氫鍵運動研究方面取得新進展。他們發現在自由下落的水膜上施加超強的寬帶太赫茲脈沖會引起折射率的可測量變化,這與液態水中共振激發的氫鍵振動有關。該研究實現了在亞皮秒時間分辨率下對液態水中超快的氫鍵動力學演化過程的觀察。該研究成果以"Ultrafast Hydrogen-Bond Dynamics of Liquid Water revealed by Terahertz-induced Transient Birefringence" 為題在線發表在國際光學頂尖期刊Light: Science & Applications上。

  液態水是世界上最常見的物質,但迄今為止我們對水的了解仍然不全面,尤其是分子水平上的行為。這與液態水分子復雜的網絡結構以及超快的演化過程有關。當一個水分子以近乎四面體構型與相鄰水分子形成氫鍵時,這個三維的網絡包含著復雜的分子間自由度,其中的動力學過程也非比尋常。受分子間結構動力學強烈影響的介電敏感性可以反映從千兆赫茲(GHz)到太赫茲(THz)頻率范圍內分子的集體和/或協同運動。利用光學方法評估液態介質的介電敏感性一直以來都是探究其基礎性質的重要手段。近年來,遠紅外光譜法、低頻拉曼光譜法、透射太赫茲時域光譜法和2D拉曼-太赫茲光譜法等光學技術的發展,逐漸加深了對氫鍵網絡的結構、穩定性以及重排列動力學的了解。然而,由于分子集體和協同運動的復雜性以及分子和分子間相關模式的光譜重疊,使得精準探究每種運動模式對介電敏感性的貢獻變得困難。

  水分子間氫鍵動力學的振動光譜位于太赫茲范圍內,因此利用太赫茲脈沖共振激發分子間氫鍵振動,可以大大增強其在多種水分子運動模式中的辨識度。該工作在實驗上使用時間分辨的太赫茲克爾效應(TKE)技術選擇性的共振激發液態介質中一種或幾種分子運動模式,實現了對低頻分子間自由度的直接訪問以及高精度的實時觀察,從而更準確地了解液態水中氫鍵約束下的分子運動。更進一步的,作者利用一種與介電敏感性相關的氫鍵諧振子模型,對實驗中亞皮秒尺度下觀察到的氫鍵行為進行描述;再結合相對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與相關分子間運動的聯系,并成功地復現了測量的TKE信號。該工作中展現的亞皮秒尺度的時間分辨率,對于觀察和理解液態水中分子間運動模式的瞬態演化具有重要意義,也為進一步探究試劑與溶劑水分子的復雜相互作用打下基礎。

  該項成果得到了北京市杰出青年基金、國家自然科學重點基金和青年基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金和北京市成像技術高精尖創新中心的支持。本文共同第一作者為北京理工大學光電學院博士生趙航、譚永,通訊作者為北京理工大學光電學院趙躍進教授和首都師范大學物理系張亮亮研究員。合作者包括美國羅切斯特大學張希成教授,中國科學院深圳先進技術研究院張銳博士,和首都師范大學物理系張存林教授、Mostafa Shalaby博士。

  

圖1 實驗系統示意圖

圖2 a水和重水的太赫茲克爾效應的時域特征。b超快時域演化的理論模擬

  論文全文下載地址:https://doi.org/10.1038/s41377-020-00370-z

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