水在固体表面的吸附与解离行为直接影响着材料表面的稳定性、腐蚀防护、光催化水分解和电化学制氢等诸多关键过程。然而，由于固-水界面相互作用以及水中氢键网络的相互竞争，导致金属表面的水分子构型十分复杂。比如金属钌表面的水是以分子态吸附还是解离态存在，学术界长期存在争议。实验手段因受限于时空分辨率，难以捕捉水的动态构型，导致了部分结果支持金属钌表面水以分子态吸附，而另一些实验则支持水以解离态吸附。

针对这一科学难题，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心材料设计与计算研究部陈星秋、刘培涛团队发展了升级版矩张量机器学习势模型，通过模拟退火并结合遗传算法优化矩张量缩并路径，使得非等价中间张量数量及缩并次数最低，实现了精度与效率兼顾，不但在计算精度方面接近密度泛函理论精度，能准确捕捉界面水复杂的结构和氢键的微妙变化，而且计算效率也大幅度提升，为复杂体系的跨尺度原子模拟提供了新手段。

研究团队利用自己开发的计算工具，通过路径积分分子动力学模拟，首次在亚微秒（几百纳秒）时间尺度上模拟揭示了氢质子量子隧穿的动态过程，不仅捕捉到氢原子的量子离域特性，还揭示了金属钌(0001)表面水分子通过量子协同机制分解为氢离子H⁺和氢氧根离子OH⁻的完整路径，在原子尺度模拟实现了水分子在核量子效应驱动下的解离现象，为金属钌表面水分子分解提供了科学依据，解决了领域内的这一长期争议。研究发现：（1）核量子效应使质子发生离域，将质子转移能垒降低了近一半，极大促进了质子在水分子间的快速转移。相比之下，经典分子动力学模拟由于未考虑核量子效应，即使在微秒时间尺度内也未能观察到水的分解现象；（2）核量子效应驱动长程质子转移，水分子分解过程中质子转移跨越了多达5个水分子，形成“质子接力”式分解机制，与局域反应路径计算结果截然不同。该研究不仅解决了表面科学领域长期存在的争议，更揭示了核量子效应在质子转移动力学中的关键作用，为金属表面水吸附和水介导化学反应等研究开辟了新视角。

该项研究近期以“Quantum Delocalization Enables Water Dissociation on Ru(0001)”为题发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。中国科学院金属研究所曹宇、王建韬博士研究生为共同第一作者，刘培涛和陈星秋研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划等相关项目资助。

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图1. 金属钌(0001)表面水分子吸附构型的能量预测

图2. 机器学习势加速的路径积分分子动力学模拟揭示核量子效应驱动的水分子长程解离机制

图3. 核量子效应诱导的水分子结构演变与质子转移能垒变化

AI读进展：钌金属表面水分子的量子“舞步”

水结构科学被《科学》杂志列为全球125个科学难题之一。水结构中的水分子（H₂O）就像一群手拉手（氢键）跳舞的小朋友，既灵活又容易换队形，连接强度还介于“502胶水”（共价键）和“静电贴纸”（范德华力）之间。当把水分子放到金属表面，界面水结构更加复杂，水分子不仅要和金属“粘贴”（界面作用），还要维持自己的“手拉手”队形，像在跳双人芭蕾时还要兼顾团体操。要看清它们的“舞步”，得用原子分辨率的“高速摄像机”（原位观测技术），但迄今为止实验设备连它们的“残影”都抓不到。更绝的是，水分子还会玩“闪现术”（量子隧穿），氢键还能随时“拆了重组”（动态重构）。在中性条件下，由于金属钌的析氢催化活性弱于铂，但强于铜、银、金等金属，因此科学家为“金属钌表面的水是躺平还是裂开”这一问题，进行了几十年辩论赛。一派认为水分子在钌表面会“躺平”（保持完整），另一派则认为它们会“裂开”（分解成氢离子H⁺和氢氧根离子OH⁻）。

研究团队开发了升级版的矩张量机器学习势模型和软件，它不但在计算精度方面接近密度泛函理论计算精度，能准确捕捉界面水复杂的结构和氢键的微妙变化，而且计算效率也高。在众多的机器学习势函数模型中，传统矩张量势函数模型已比较快，但是研究团队开发的升级版的矩张量势函数模型在不失精度的前提下效率提升了近一个数量级。也就是原本需要100天的计算任务，现在10天就能完成了，这为大尺度原子模拟铺平了道路。

研究团队利用自己开发的计算工具，通过路径积分分子动力学模拟（一种能精确捕捉核量子效应的原子模拟技术），首次在亚微秒（几百纳秒）时间尺度上模拟揭示了氢质子量子隧穿的动态过程，不仅捕捉到氢原子的量子离域特性，还揭示了钌金属表面水分子通过量子协同机制分解为H⁺和OH⁻的完整路径。结合机器学习势的大规模计算，就好像给原子运动装上“超级摄像机”，看到量子世界的“慢动作”，为金属钌表面水分子分解提供了直接的科学依据，解决了领域内的这一长期争议。

模拟结果揭示，金属钌表面水分子分解的关键在于“氢质子的量子离域化”。如果是在经典世界（没有考虑核量子效应）：质子想从一个水分子跳到另一个，必须“翻山越岭”——翻过一座0.5电子伏特的高山（相当于普通人爬珠穆朗玛峰）。大部分质子爬到一半就累趴了，因此水分解反应动力学极难发生。而如果是在量子世界（考虑核量子效应）：质子学会了“瞬移术”——通过量子隧穿效应，它能直接“穿山而过”，甚至能“分身”到多个水分子之间。原本的需要翻越的“高山”，现在被削成了“小土坡”（质子转移能垒降低近一半），水分解反应变得轻松自如。更酷的是，质子转移不是“单打独斗”，而是像“击鼓传花”一样，通过一连串水分子接力传递（可跨越达5个分子）。这种“团队合作”模式与局部反应路径截然不同。

这项研究告诉我们，“微观世界的量子规则，可能一直默默支配着宏观的化学反应”。下次当你看到水珠从金属表面滑落时，不妨想象一下——那可能是一群质子正在上演量子世界的“集体舞会”呢！这种质子接力机制类似生物体内酶催化反应，或许生命早就“利用”了核量子效应。

声明：“AI解读”内容由人工智能技术生成，其内容旨在辅助读者初步了解相关领域研究动态，不代表中国科学院金属研究所正式学术观点或完整研究成果，不作为学术论证依据。