科技日報北京2月27日電 （記者張佳欣）儘管液態水無處不在，但它具有一些錯綜複雜的電子特性，長期以來一直困擾着化學、物理和技術領域的科學家。據26日發表在最新一期《美國國家科學院院刊》上的論文稱，瑞士洛桑聯邦理工學院在破解這一難題方面取得了重大進展。他們使用了迄今最先進的計算方法，破解了水的電子結構問題。
此前，即使是最精確的電子結構理論也無法闡明水的電子特性，這意味着重要的物理量，例如外部來源的電子可被注入液態水的能量，仍然難以捉摸。這些性質對於理解電子在水中的行爲至關重要，並可能在生物系統、環境循環和太陽能轉換等技術應用中發揮作用。
在最新研究中，研究人員用一種基於“多體微擾理論”的方法研究了水。這是一個複雜的數學框架，用於研究一個系統中多個粒子（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爲。簡而言之，多體微擾理論是一種計算和預測多粒子系統性質的方法，它考慮到了多粒子系統組件之間的所有複雜相互作用。不過，團隊對該理論進行了修正，可更準確地預測多粒子系統中的物理性質。
對液態水進行建模尤其具有挑戰性。水分子包含一個氧原子和兩個氫原子，它們的熱運動和原子核的量子性質都起着關鍵作用。考慮到這些方面，研究人員準確地確定了水的電子性質，如電離勢、電子親和力和帶隙。這些發現對於理解水如何與光和其他物質在電子水平上相互作用至關重要。
這一發現也爲建立準確且普遍適用的材料電子結構的新標準奠定了基礎。這種高度可預測的工具，可能會在凝聚態科學中徹底改變人們對電子性質的基本理解，並可用於搜索具有特定電子功能的材料性質。
