水の量子トンネル効果

水の量子トンネル効果は、ナノチャネル内の水分子が量子トンネル効果を示し、水素原子の位置を一対の相関リングに拡散させるときに発生します。 ^[1]その状態では、水分子はリングの周囲に非局在化し、珍しい二重トップのような形状をとります。低温では、この現象は、分離ポテンシャル壁を通過する水の量子運動を示しています。これは古典力学では禁じられていますが、量子力学では許可されています。^[2]

水の量子トンネル効果は、岩石、土壌、細胞壁などの超閉じ込め下で発生します。^{[2]この現象は、科学者が水の}拡散、細胞膜チャネル内およびカーボンナノチューブ内の輸送など、閉じ込められた環境における水の熱力学的特性と挙動をよりよく理解するのに役立つと予測されています。

水中の量子トンネル効果は1992年にすでに報告されていた。当時は、置換基水モノマーの内部回転によって弱い水素結合が破壊され、再生されることが知られていた。^[3]

2016年3月18日、水六量体中の水素結合が量子トンネル効果によって切断できることが報告された。これまでに報告された水中のトンネル効果とは異なり、この現象では2つの水素結合が同時に切断された。^[4]

2016年4月22日、 Physical Review Letters誌は、スパレーション中性子源とラザフォード・アップルトン研究所で実証された水分子の量子トンネル効果について報告した。この現象の最初の兆候は、2013年にロシアとドイツの科学者によって、緑柱石の5オングストロームのチャネルで捕らえられた水分子のテラヘルツ吸収線の分裂に基づいて確認された^{[5] 。その後、}中性子散乱を使用して直接観察され、第一原理シミュレーションによって分析された。^{[6]緑柱石のチャネルでは、水分子は6つの対称的な配向を占めることができ、これは既知の}結晶構造と一致している。^[1] 1つの配向では、酸素原子がチャネルのほぼ中心にあり、2つの水素がチャネルの6つの六角形面の1つに向かって同じ側を向いている。他の配向は他の面を向いているが、約50 meVのエネルギー障壁によって互いに分離されている。^[1]しかし、これらの障壁は水素が6つの方向間でトンネルすることを妨げることはなく、基底状態のエネルギーを複数のレベルに分割します。^[1]