科学家发现氢键对称性普遍规律

本报讯 为深入探索氢键对称相关问题，近日，北京高压科学研究中心（HPSTAR）研究员Thomas Meier带领一个国际研究团队，对一系列不同样品进行了高压原位核磁共振光谱测量，并发现了关于氢键对称化的统一规律——不同体系中氢键的对称都发生在氢原子流动最快的临界点，并且都对应于几乎相同的氧原子（距离氢原子最近邻）间距。相关研究6月1日发表于《自然—通讯》。

氢键在自然界中无处不在，它们通过稳定DNA分子形成生命物质的骨架，是一些新材料得以存在和发现的关键，对氢键的研究也是当代凝聚态物质研究的驱动力之一。

之前，在金刚石对顶砧中使用衍射或光谱等常规方法直接研究氢原子一直受限于探测技术本身，导致对这些材料中氢键对称的基本物理机理缺乏深入了解。

核磁共振波谱法是一种广泛应用于化学和材料科学的诊断方法。然而在高压条件下，尤其是接近百万大气压的超高压条件下，运用核磁共振波谱法进行研究面临巨大挑战。为解决上述难题，Meier与合作者在该高压技术的发展上进行了探索与改进。他们使用自主研发的高压核磁共振技术对冰VII相/X相、镁硅酸盐相D，以及含铁和无铁铝氢氧化物进行了高压原位核磁共振光谱学研究，辅以高压X射线衍射测量。研究发现，在这些不同体系中，氢键对称发生时，与氢原子最近邻的氧原子的距离都会达到一个几乎相等的临界值，完全独立于样品的化学、结构甚至量子力学性质或所研究的氢键环境。

Meier指出，“氢键对称实际上是一个完全独立的物理现象——当氢原子的迁移率达到最大时，氢键的对称化就开始了，并非发生于结构相变或自旋转变的压力点，因此可以说氢键对称化（从核磁共振的角度）与结构或自旋相变没有任何关系。”（赵路）

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-022-30662-4