科技日?qǐng)?bào)北京2月27日電 （記者張佳欣）盡管液態(tài)水無(wú)處不在，但它具有一些錯(cuò)綜復(fù)雜的電子特性，長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著化學(xué)、物理和技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家。據(jù)26日發(fā)表在最新一期《美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊》上的論文稱，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院在破解這一難題方面取得了重大進(jìn)展。他們使用了迄今最先進(jìn)的計(jì)算方法，破解了水的電子結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
此前，即使是最精確的電子結(jié)構(gòu)理論也無(wú)法闡明水的電子特性，這意味著重要的物理量，例如外部來(lái)源的電子可被注入液態(tài)水的能量，仍然難以捉摸。這些性質(zhì)對(duì)于理解電子在水中的行為至關(guān)重要，并可能在生物系統(tǒng)、環(huán)境循環(huán)和太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換等技術(shù)應(yīng)用中發(fā)揮作用。
在最新研究中，研究人員用一種基于“多體微擾理論”的方法研究了水。這是一個(gè)復(fù)雜的數(shù)學(xué)框架，用于研究一個(gè)系統(tǒng)中多個(gè)粒子（如固體或分子中的電子）間的相互作用，探索這些粒子如何影響彼此的行為。簡(jiǎn)而言之，多體微擾理論是一種計(jì)算和預(yù)測(cè)多粒子系統(tǒng)性質(zhì)的方法，它考慮到了多粒子系統(tǒng)組件之間的所有復(fù)雜相互作用。不過(guò)，團(tuán)隊(duì)對(duì)該理論進(jìn)行了修正，可更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)多粒子系統(tǒng)中的物理性質(zhì)。
對(duì)液態(tài)水進(jìn)行建模尤其具有挑戰(zhàn)性。水分子包含一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子，它們的熱運(yùn)動(dòng)和原子核的量子性質(zhì)都起著關(guān)鍵作用。考慮到這些方面，研究人員準(zhǔn)確地確定了水的電子性質(zhì)，如電離勢(shì)、電子親和力和帶隙。這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解水如何與光和其他物質(zhì)在電子水平上相互作用至關(guān)重要。
這一發(fā)現(xiàn)也為建立準(zhǔn)確且普遍適用的材料電子結(jié)構(gòu)的新標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。這種高度可預(yù)測(cè)的工具，可能會(huì)在凝聚態(tài)科學(xué)中徹底改變?nèi)藗儗?duì)電子性質(zhì)的基本理解，并可用于搜索具有特定電子功能的材料性質(zhì)。
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