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為深入探索氫鍵對稱相關(guān)問題，近日，北京高壓科學(xué)研究中心（HPSTAR）研究員Thomas Meier帶領(lǐng)國際研究團(tuán)隊(duì)，對一系列不同樣品進(jìn)行了高壓原位核磁共振光譜測量，并發(fā)現(xiàn)了關(guān)于氫鍵對稱化的統(tǒng)一規(guī)律——不同體系中氫鍵的對稱都發(fā)生在氫原子流動最快的臨界點(diǎn)，并且都對應(yīng)于幾乎相同的氧原子（距離氫原子最近鄰）間距。

相關(guān)研究6月1日發(fā)表于《自然—通訊》（Nature Communications）。

氫鍵在自然界中無處不在，它們通過穩(wěn)定DNA分子形成生命物質(zhì)的骨架，是一些新材料得以存在和發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵，對氫鍵的研究也是當(dāng)代凝聚態(tài)物質(zhì)研究的驅(qū)動力之一。被氫鍵穩(wěn)定的體系通常表現(xiàn)出豐富的物理現(xiàn)象，如相變、超離子態(tài)或高溫超導(dǎo)性等。這些現(xiàn)象往往發(fā)生在氫鍵趨于對稱的時(shí)候，即當(dāng)氫原子位于兩個較重的原子之間的幾何中心位置時(shí)（如圖）。

常壓條件下，含有線性氫鍵的物質(zhì)中的氫鍵是非對稱的，隨著壓力增加，非對稱氫鍵往往會趨于對稱。高壓下不同體系中氫鍵對稱化的過程通常會伴隨著不同的壓縮性能，或者輸運(yùn)性質(zhì)等物性的改變，因此研究者往往將氫鍵對稱化與物質(zhì)的結(jié)構(gòu)相變、高低自旋轉(zhuǎn)變等變化關(guān)聯(lián)起來，然而這些關(guān)聯(lián)性解釋往往又自相矛盾。

之前，在金剛石對頂砧中使用衍射或光譜等常規(guī)方法直接研究氫原子一直受限于探測技術(shù)本身，導(dǎo)致對這些材料中氫鍵對稱的基本物理機(jī)理缺乏深入了解。

核磁共振波譜法是一種廣泛應(yīng)用于化學(xué)和材料科學(xué)的診斷方法。然而在高壓條件下，尤其是接近百萬大氣壓的超高壓條件下，運(yùn)用核磁共振波譜法進(jìn)行研究面臨巨大挑戰(zhàn)。為解決上述難題，Meier與合作者在該高壓技術(shù)的發(fā)展上進(jìn)行了探索與改進(jìn)。在該工作中，他們使用自主研發(fā)的高壓核磁共振技術(shù)對冰VII相/X相、鎂硅酸鹽相D，以及含鐵和無鐵鋁氫氧化物進(jìn)行了高壓原位核磁共振光譜學(xué)研究，輔以高壓X射線衍射測量。研究發(fā)現(xiàn)，在這些不同體系中，氫鍵對稱發(fā)生時(shí)，與氫原子最近鄰的氧原子的距離都會達(dá)到一個幾乎相等的臨界值，完全獨(dú)立于樣品的化學(xué)、結(jié)構(gòu)甚至量子力學(xué)性質(zhì)或所研究的氫鍵環(huán)境。