【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】水在固體表面的吸附與解離行為直接影響著材料表面的穩(wěn)定性、腐蝕防護(hù)、光催化水分解和電化學(xué)制氫等諸多關(guān)鍵過(guò)程。然而，由于固-水界面相互作用以及水中氫鍵網(wǎng)絡(luò)的相互競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致金屬表面的水分子構(gòu)型十分復(fù)雜。比如金屬釕表面的水是以分子態(tài)吸附還是解離態(tài)存在，學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期存在爭(zhēng)議。實(shí)驗(yàn)手段因受限于時(shí)空分辨率，難以捕捉水的動(dòng)態(tài)構(gòu)型，導(dǎo)致了部分結(jié)果支持金屬釕表面水以分子態(tài)吸附，而另一些實(shí)驗(yàn)則支持水以解離態(tài)吸附。
 

　　針對(duì)這一科學(xué)難題，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心材料設(shè)計(jì)與計(jì)算研究部陳星秋、劉培濤團(tuán)隊(duì)發(fā)展了升級(jí)版矩張量機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)模型，通過(guò)模擬退火并結(jié)合遺傳算法優(yōu)化矩張量縮并路徑，使得非等價(jià)中間張量數(shù)量及縮并次數(shù)最低，實(shí)現(xiàn)了精度與效率兼顧，不但在計(jì)算精度方面接近密度泛函理論精度，能準(zhǔn)確捕捉界面水復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和氫鍵的微妙變化，而且計(jì)算效率也大幅度提升，為復(fù)雜體系的跨尺度原子模擬提供了新手段。
 

　　研究團(tuán)隊(duì)利用自己開(kāi)發(fā)的計(jì)算工具，通過(guò)路徑積分分子動(dòng)力學(xué)模擬，首次在亞微秒(幾百納秒)時(shí)間尺度上模擬揭示了氫質(zhì)子量子隧穿的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不僅捕捉到氫原子的量子離域特性，還揭示了金屬釕(0001)表面水分子通過(guò)量子協(xié)同機(jī)制分解為氫離子H?和氫氧根離子OH?的完整路徑，在原子尺度模擬實(shí)現(xiàn)了水分子在核量子效應(yīng)驅(qū)動(dòng)下的解離現(xiàn)象，為金屬釕表面水分子分解提供了科學(xué)依據(jù)，解決了領(lǐng)域內(nèi)的這一長(zhǎng)期爭(zhēng)議。研究發(fā)現(xiàn)：(1)核量子效應(yīng)使質(zhì)子發(fā)生離域，將質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘降低了近一半，極大促進(jìn)了質(zhì)子在水分子間的快速轉(zhuǎn)移。相比之下，經(jīng)典分子動(dòng)力學(xué)模擬由于未考慮核量子效應(yīng)，即使在微秒時(shí)間尺度內(nèi)也未能觀察到水的分解現(xiàn)象；(2)核量子效應(yīng)驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)程質(zhì)子轉(zhuǎn)移，水分子分解過(guò)程中質(zhì)子轉(zhuǎn)移跨越了多達(dá)5個(gè)水分子，形成“質(zhì)子接力”式分解機(jī)制，與局域反應(yīng)路徑計(jì)算結(jié)果截然不同。該研究不僅解決了表面科學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的爭(zhēng)議，更揭示了核量子效應(yīng)在質(zhì)子轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)中的關(guān)鍵作用，為金屬表面水吸附和水介導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)等研究開(kāi)辟了新視角。
 

　　該項(xiàng)研究近期以“Quantum Delocalization Enables Water Dissociation on Ru(0001)”為題發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所曹宇、王建韜博士研究生為共同第一作者，劉培濤和陳星秋研究員為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等相關(guān)項(xiàng)目資助。
 

圖1. 金屬釕(0001)表面水分子吸附構(gòu)型的能量預(yù)測(cè)
 

　　圖2. 機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)加速的路徑積分分子動(dòng)力學(xué)模擬揭示核量子效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的水分子長(zhǎng)程解離機(jī)制
 

圖3. 核量子效應(yīng)誘導(dǎo)的水分子結(jié)構(gòu)演變與質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘變化