水的结构和反常物性

自从Bernal-Fowler-Pauling在1933~1935年间提出氢质子在两个氧原子之间的非对称等价位置以THz的频率自发往复隧穿后,液态水的结构尤其是水分子的近邻配位数目一直是学界关注的焦点。尽管水分子的刚性或柔性偶极子相互作用表述、纳晶非晶混相结构或均相涨落模型等假说已逐渐成为认知主流,但定量破解水在外场作用下所呈现的各种反常物性的进展依然缓慢。譬如,浮冰、复冰、超滑、热水速冻等现象的机理及内在关联仍有待系统深入研究。本文旨在尝试解读当前关注焦点和介绍最新研究进展的同时,融合连续介质论、分子时空论、质子量子论和氢键弛豫极化论并强调从传统的分子“偶极子-偶极子”到“氢键（O：H-O）超短程非对称强耦合”作用以及从源头的“质子隧穿失措”到“氢键受激协同弛豫”的思维转变。证据表明,水中键合质子数目和孤对电子数目和氢键的构型守恒和分子空间取向和质子隧穿规则应为关注焦点;通过氢键作用的静态四配位均相类单晶结构和动态强涨落可能是打破僵局的关键;由于氢键的O：H和H-O分段比热的差异,液态与固态之间存在一个具有冷胀热缩和相边界可调特性的准固态;键序降低导致氢键分段协同弛豫且使低配位水分子形成具有超低密度、强极化、高弹性、高热稳定性的超固态。由于O：H非键无处不在且起主导作用,拓展对于水溶液的认知到其他领域如含能材料的储能-燃爆机理、药物、食品、生命科学等会更加引人入胜,意义深远。     

冰水-溶液-炸药分子中耦合氢键的受激协同弛豫

与传统定义的氢键(X×××H)相比, 耦合氢键(X:H-Y)集成分子间的X:H非键和分子内的H-Y成键作用(X = N, O; Y = X, C；而且H也可以被电负性较低的金属如Cu取代). 耦合氢键具有两个显著的特征: 一是它的分段长度、能量、和振动频率的协同性, 二是其分段德拜比热的差异, 其关键在于它的两端负电载体间的排斥耦合和极化作用. 耦合氢键分段的德拜比热对温度的积分对应它们各自的结合能而德拜温度对应于振动频率. 因此，我们可以通过施加外场（温度，压强、配位，电场，等）调制耦合氢键的极化和协同弛豫以改变氢键网络结构和氢键体系的物理性能. 但是，耦合氢键的协同弛豫只有在Y—X排斥足够强和H-Y电负性差足够大的条件下发生. 耦合氢键的建立使我们不仅能够定量破解关于水的结构和冰水的诸多反常物性，而且加深了对酸碱盐和有机溶液的氢键网络和属性以及氮基炸药的结构稳定性和储能机理等的系统认知. 氢键耦合振子对的极化和协同弛豫为分子电子学提供了一个新的自由度以完整表述分子、电子、键合在时、空、能量域的受激行为. 所以, 由单分子基元动力学向耦合氢键和电子弛豫动力学的思维拓展，无论是对原子分子电子学的基础研究还是对实际工程应用都具有深远的意义.