表面水分子氢键网络结构的微观表征与操纵

Revealing dynamic behaviors of water on solid surface at the microscopic scale is a key step to understand and control the surface wetting and water photocatalytic reactions. The hydrogen network, under the subtle balance between hydrogen bonding and van de Waals interaction, plays a critical role in many physical and chemical processes. In this project, we propose to investigate the characterization and manipulation of water molecular hydrogen network on surface by using a low-temperature scanning tunneling microscope (STM). By high resolution topographic imaging of basic water clusters on surface and molecular manipulations, we are to understand the influence of hydrogen bonds and van de Waals interactions on the formation of hydrogen network. The hydrated electron will be induced and imaged, as well as the measurement of its lifetime. The hydrogen network can be stimulated by intense laser pulses and the dynamic response will be detected. Probing water hydrogen network at the microscopic scale is still an extremely challenging. By carrying out this project, we are to make dramatic improvement in experimental methods and comprehensive understanding in microscopic hydrogen networks, make significant step forward in water science exploration and provide basic principles and physical images for related applications.

从原子分子层面上揭示表面水分子的动力学规律对于理解和控制材料的浸润性及水的光催化等具有非常重要的意义。在氢键和范德瓦尔斯力的微妙平衡下形成的氢键网络结构在许多物理化学过程中发挥着关键作用。本项目拟利用低温扫描隧道显微镜技术研究表面水分子氢键网络结构的微观表征与操纵。期望通过高分辨的STM图像获得表面水分子基本团簇结构中的氢键特征，揭示氢键与范德瓦尔斯力对于氢键网络结构的影响。通过分子搬运操纵，研究水分子氢键网络的形成过程和相关特征。研究水合电子态的高效诱导和空间成像，尝试利用时间分辨STM探测水合电子态的激发态寿命。研究脉冲激光对水分子氢键网络结构的激励与动力学过程的观测。微观尺度上研究水分子氢键网络结构是一项极具挑战性的任务。通过本项目的开展，可以完善并发展新的实验表征技术，提高我们对表面水分子氢键网络结构的微观认识，推动水科学研究的进一步发展，为相关应用研究提供基本的物理原理和图像。

从原子分子层面上揭示表面水分子的动力学规律对于理解和控制材料的浸润性及水的光催化等具有非常重要的意义。本项目利用低温扫描隧道显微镜（STM）技术研究了表面水分子纳米结构的高精度微观表征与操纵特性。通过研究实现了金属单晶表面绝缘原子层系统的制备，可有效降低表面分子与金属衬底之间的电子耦合；发展了可靠的STM探针功能化实验方法，显著提高了对表面分子扫描形貌成像的空间分辨率；通过高分辨的STM图像实现了对表面水分子团簇结构和单个水分子空间取向的测定；通过形貌成像分析、分子搬运操纵、及第一性原理计算揭示了金属表面水分子六聚体的平面共面结构特征，解决了相关争论并展示了范德华力在理论计算水分子网路结构中的重要性；观察到了稳定的表面一维水分子链，突破了当前在理解表面亚单层水分子结构时公认的规则，揭示了其基本结构及其构型稳定的原因；通过隧穿电流激励实现了一维水分子链中以氢键为媒介的质子转移过程；通过将单个水分子束缚在STM针尖上实现了非弹性隧穿谱中低能激发态信号的显著增强，探测到了隧穿结中单个水分子的转动和振动模式，并揭示了两种激发态的来源及隧穿结距离对水分子的量子限域效应。另外，项目研究还发展了脉冲激光对表面分子激励及局域激发态寿命测量的实验方法，并在其他分子体系中开展了应用测试研究。通过本项目的开展，发展并完善了新的实验表征技术，提高了对表面水分子氢键网络结构的微观认识，为深入理解水科学提供了新的物理图像。研究亦表明，微观尺度上水分子氢键网络结构的探索仍是一项极具挑战性的任务。