陈根：研究揭示电荷转移过程中，核量子效应重要作用_风闻

文|陈根

电荷转移又称电荷交换，是正离子与中性原子碰撞时发生的电荷转移过程。这时，正离子将俘获原子中的一个价电子而成为原子；原子则因失去一个价电子而成为正离子。荷转过程属于第二类非弹性碰撞过程，在碰撞中，碰撞粒子的势能从一方转移到另一方。

固体与分子界面是研究太阳能转化过程中重要的体系之一，界面的光会激发载流子动力，这是决定太阳能转化效率的关键性因素之一。在光催化、光伏等典型的太阳能转化过程中，光激发会在半导体材料中产生电子空穴对，激发态载流子再通过固体—分子界面转移到分子上。

在许多固体-分子界面，分子之间也会形成复杂的氢键网络，质子常常会在这样的氢键网络中转移。因此，固体-分子界面的电荷转移常常与质子的运动耦合在一起。这就导致科学家不仅需要理解电子的动力学行为，还需要考虑其与质子的耦合。另外，在氢键网络中运动的质子，其本身的核量子效应也不能忽略。

近日，中科大研究人员将“非绝热分子动力学（NAMD）”与“路径积分分子动力学（PIMD）”相结合，突破性解决了这一难题。他们发现固体-分子界面的超快电荷转移与质子的量子动力学具有很强的耦合，由此揭示了电荷转移过程中核量子效应的重要作用。

具体来说，科学家们基于路径积分理论的环-聚合分子动力学(RPMD)方法来处理核量子效应。在该方案基础上，团队观察了CH3OH/TiO2（甲醇/二氧化钛）界面的空穴转移动力学过程。发现当吸附在二氧化钛表面的甲醇形成氢键网络，质子会在网络中频繁转移，而且这些质子运动具有明显的量子化行为。

在使用扫描隧道显微镜(STM)过程中中，科学家们找到了相关证据，证实了吸附的甲醇分子会由于质子的量子化运动激发态空穴的捕获能力，进而提升光化学反应的效率。

目前，相关结果发表在了《科学进展》Science Advances上。