H2O，HDO和D2O从同位素混合冰表面解吸。
氢键体系的物理学、化学和生物学性质受到振动模式零点能、质子离域和隧穿效应等核量子效应的显著影响。由于氢的核质量极低，氢键系统表现出明显的同位素效应。在20世纪30年代，Ubbelohde首先提出，在很多氢键系统中，氘化会拉伸和削弱氢键。从那以后，这种同位素效应（Ubbelohde效应）得到了广泛的研究和证实。
相比之下，在液态水和冰中的氘化分子会拉伸并增强氢键。长期以来，研究人员对此进行了大量实验和理论研究，但这种特殊同位素效应的分子水平起源仍是一个谜。
据美国“优睿科”网站12月2日报道，分子科学研究所副教授Toshiki Sugimoto带领的团队近日解决了这个长期存在的谜题。
他们利用同位素选择性分析不同氢/氘比例的同位素混合冰的升华过程后发现，同位素对氢键强度的影响是由两种氘化效应决定的。效应（1）是由阻碍分子转动的零点能诱发的键增强效应；效应（2）为分子间和分子内不同模式之间的量子非谐耦合引起的键弱化（拉伸）效应。其中，与分子转动相关的效应（1）在极小轻质分子的破键过程中起着关键的作用。对水而言，巨大的同位素差异零点能受阻旋转作用形成了特殊的效应（1），它压制了效应（2），导致出现了独特的同位素效应，即氘水分子形成的氢键较长，但键强度高于氢水分子。相反，在其他的重分子氢键系统中，如草酸二水合物、苯甲酸和琥珀酸等，受阻旋转的零点能很小，其氢键较长且弱。因此，只有效应（2）在同位素效应中起主导作用时，氘化体系的氢键才会比氢化体系更长、更弱。
Sugimoto说：“我们认为氢键强度的同位素差异与相互竞争的效应（1）和效应（2）之间的微妙平衡有关。而氢键长度的同位素效应（几何效应）是由效应（2）决定的。这些结论为我们提升对高量子水氢键的基本认识奠定了基础。”
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编译：德克斯特
审稿：阿淼
责编：张梦
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