據悉，《科學》雜誌在創刊125周年之際，公布了本世紀125個(ge) 最具挑戰性的科學問題，其中包括：水的結構如何？理解水的結構和物性對於(yu) 人類的社會(hui) 和生命活動具有非常直接和深遠的意義(yi) 。研究發現，核量子效應研究對於(yu) 理解水的微觀結構和動力學非常關(guan) 鍵。

該課題組通過精確控製水分子-針尖耦合和水分子-襯底的耦合，提升了STM對氫原子核空間位置的靈敏度，在NaCl(001)薄膜表麵上獲得了單個(ge) 水分子和水團簇的亞(ya) 分子級分辨圖像，在國際上首次實現了對水分子的空間取向和水團簇的氫鍵方向性的直接識別。該工作發展的水分子亞(ya) 分子級分辨成像技術使得人們(men) 可以深入到單個(ge) 水分子的內(nei) 部自由度，對質子（氫核）的位置進行精確定位，開拓了原子尺度上氫核量子效應的研究。

課題組將STM的亞(ya) 分子級成像技術和實時探測技術相結合，實現了對NaCl(001)表麵上單個(ge) 水團簇內(nei) 氫核轉移的實時跟蹤，直接觀察到了氫核在水分子團簇內(nei) 的量子隧穿動力學過程，確認了這種隧穿過程由四個(ge) 氫核協同完成，是一種全新的相幹量子過程，比經典過程更容易發生。該工作結束了水科學領域二十多年來關(guan) 於(yu) “氫核協同隧穿是否存在”的爭(zheng) 論，對於(yu) 理解水/冰的相變和生命體(ti) 中的質子傳(chuan) 輸有非常重要的意義(yi) 。

課題組進一步基於(yu) STM發展了獨特的“針尖增強的非彈性電子隧穿譜”技術，突破了傳(chuan) 統非彈性電子隧穿譜技術在信噪比和分辨率方麵的限製，在單鍵水平上測量了氫核的量子漲落對水/鹽界麵上氫鍵鍵強的影響，提出了“核量子漲落強化強氫鍵，弱化弱氫鍵”的普適物理圖像。首次在國際上測得了氫鍵的量子成分，澄清了氫鍵的量子本質，表明氫核的量子漲落不僅(jin) 是對經典相互作用的簡單修正，其效應足以對水的結構產(chan) 生顯著的影響，為(wei) 理解水的微觀結構和反常物性提供了全新的思路。該成果在2016年《科學》雜誌上發表。