文｜陳根

電荷轉(zhuǎn)移又稱(chēng)電荷交換，是正離子與中性原子碰撞時(shí)發(fā)生的電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程。這時(shí)，正離子將俘獲原子中的一個(gè)價(jià)電子而成為原子；原子則因失去一個(gè)價(jià)電子而成為正離子。荷轉(zhuǎn)過(guò)程屬于第二類(lèi)非彈性碰撞過(guò)程，在碰撞中，碰撞粒子的勢(shì)能從一方轉(zhuǎn)移到另一方。

固體與分子界面是研究太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中重要的體系之一，界面的光會(huì)激發(fā)載流子動(dòng)力，這是決定太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的關(guān)鍵性因素之一。在光催化、光伏等典型的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化過(guò)程中，光激發(fā)會(huì)在半導(dǎo)體材料中產(chǎn)生電子空穴對(duì)，激發(fā)態(tài)載流子再通過(guò)固體—分子界面轉(zhuǎn)移到分子上。

在許多固體－分子界面，分子之間也會(huì)形成復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)子常常會(huì)在這樣的氫鍵網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)移。因此，固體－分子界面的電荷轉(zhuǎn)移常常與質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)耦合在一起。這就導(dǎo)致科學(xué)家不僅需要理解電子的動(dòng)力學(xué)行為，還需要考慮其與質(zhì)子的耦合。另外，在氫鍵網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子，其本身的核量子效應(yīng)也不能忽略。

近日，中科大研究人員將“非絕熱分子動(dòng)力學(xué)（NAMD）”與“路徑積分分子動(dòng)力學(xué)（PIMD）”相結(jié)合，突破性解決了這一難題。他們發(fā)現(xiàn)固體－分子界面的超快電荷轉(zhuǎn)移與質(zhì)子的量子動(dòng)力學(xué)具有很強(qiáng)的耦合，由此揭示了電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中核量子效應(yīng)的重要作用。

具體來(lái)說(shuō)，科學(xué)家們基于路徑積分理論的環(huán)－聚合分子動(dòng)力學(xué)（RPMD）方法來(lái)處理核量子效應(yīng)。在該方案基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)觀察了CH3OH／TiO2（甲醇／二氧化鈦）界面的空穴轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)過(guò)程。發(fā)現(xiàn)當(dāng)吸附在二氧化鈦表面的甲醇形成氫鍵網(wǎng)絡(luò)，質(zhì)子會(huì)在網(wǎng)絡(luò)中頻繁轉(zhuǎn)移，而且這些質(zhì)子運(yùn)動(dòng)具有明顯的量子化行為。

在使用掃描隧道顯微鏡（STM）過(guò)程中中，科學(xué)家們找到了相關(guān)證據(jù)，證實(shí)了吸附的甲醇分子會(huì)由于質(zhì)子的量子化運(yùn)動(dòng)激發(fā)態(tài)空穴的捕獲能力，進(jìn)而提升光化學(xué)反應(yīng)的效率。

目前，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在了《科學(xué)進(jìn)展》Science Advances上。

       原文標(biāo)題 : 陳根：新進(jìn)展——我國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)重要核量子效應(yīng)