水在人类生存中起着根本性的作用，是我们宇宙的主要组成部分，然而我们对水仍有不了解的地方。因此，东京大学工业科学研究所、京都大学和东北大学的一个合作小组调查了电子通过C60笼中单个水分子的传输。

简单的系统往往是确定复杂信息的最佳起点。单个水分子就是这样一个系统。它仅由三个原子组成，为建立量子力学信息提供了一个极佳的模型。

将一个水分子引入C60笼（一种完全由碳原子组成的足球状分子）可以得到H2O@C60，这是研究分离水的绝佳方式。研究人员使用“分子手术”实现了这一目标，即打开笼子，注入水分子，然后再次关闭笼子。

然后，研究员将H2O@C60当做单分子晶体管（SMT），把一个H2O@C60分子安装在两个电极之间非常小的间隙中。由于电流只会通过独立的分子，电子传输可以被高度具体化地研究。

科学家为H2O@C60 SMT生成了一个电导图，也被称为“库仑稳定性图”（Coulomb stability diagram）。它显示了水分子的多个激发态。相比之下，一个空的C60笼状的库仑稳定性图只显示了两个激发态。

科学家表示，因为包含两个氢原子，水有两种不同的核自旋状态：正水(ortho-water)和仲水(para-water)。在正水中，氢的核自旋方向相同；而在仲水中，它们彼此相反。了解这两类水之间的转变是一个重要的研究领域。

研究人员测量了H2O@C60系统的隧道光谱，并通过将研究结果与理论计算相比较，将测量的电导峰归结为水分子的旋转和振动激发。他们还用太赫兹光谱法研究了H2O@C60，结果与隧道光谱法的数据一致。

这两种技术都显示了正水和仲水同时的量子转动激发。这表明单个水分子在实验的时间范围内（大约一分钟）在两种核异构体（正水和仲水）的过渡。

研究报告的通讯作者Kazuhiko Hirakawa说：“我们的发现对理解水分子中的正/仲水波动做出了重要贡献。由于水在化学和生物学、甚至在理解我们的宇宙方面发挥着重要作用，我们期望我们的发现能够产生广泛的影响。”

该研究论文题为"Inelastic Electron Transport and Ortho–Para Fluctuation of Water Molecule in H2O@C60 Single Molecule Transistors"，已发表在《纳米快报》期刊上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03604

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