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水在固體表面的吸附與解離行為直接影響著材料表面的穩(wěn)定性、腐蝕防護(hù)、光催化水分解和電化學(xué)制氫等諸多關(guān)鍵過程。然而，由于固-水界面相互作用以及水中氫鍵網(wǎng)絡(luò)的相互競爭，導(dǎo)致金屬表面的水分子構(gòu)型十分復(fù)雜。比如，金屬釕表面的水是以分子態(tài)吸附還是解離態(tài)存在，學(xué)術(shù)界長期存在爭議。實驗手段因受限于時空分辨率，難以捕捉水的動態(tài)構(gòu)型，導(dǎo)致部分結(jié)果支持金屬釕表面水以分子態(tài)吸附，而另一些實驗則支持水以解離態(tài)吸附。針對這一科學(xué)難題，中國科學(xué)院金屬研究所陳星秋、劉培濤團(tuán)隊發(fā)展了升級版矩張量機(jī)器學(xué)習(xí)勢模型，通過模擬退火并結(jié)合遺傳算法優(yōu)化矩張量縮并路徑，使得非等價中間張量數(shù)量及縮并次數(shù)最低，實現(xiàn)了精度與效率兼顧，不但在計算精度方面接近密度泛函理論精度，能準(zhǔn)確捕捉界面水復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和氫鍵的微妙變化，而且計算效率也大幅度提升，為復(fù)雜體系的跨尺度原子模擬提供了新手段。研究團(tuán)隊利用該計算工具，通過路徑積分分子動力學(xué)模擬，首次在亞微秒（幾百納秒）時間尺度上模擬揭示了氫質(zhì)子量子隧穿的動態(tài)過程，不僅捕捉到氫原子的量子離域特性，還揭示了金屬釕（0001）表面水分子通過量子協(xié)同機(jī)制分解為氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-）的完整路徑，在原子尺度模擬實現(xiàn)了水分子在核量子效應(yīng)驅(qū)動下的解離現(xiàn)象，為金屬釕表面水分子分解提供了科學(xué)依據(jù)，解決了領(lǐng)域內(nèi)的這一長期爭議。研究發(fā)現(xiàn)，核量子效應(yīng)使質(zhì)子發(fā)生離域，將質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘降低了近一半，極大促進(jìn)了質(zhì)子在水分子間的快速轉(zhuǎn)移。相比之下，經(jīng)典分子動力學(xué)模擬由于未考慮核量子效應(yīng)，即使在微秒時間尺度內(nèi)也未能觀察到水的分解現(xiàn)象。同時，核量子效應(yīng)驅(qū)動長程質(zhì)子轉(zhuǎn)移，水分子分解過程中質(zhì)子轉(zhuǎn)移跨越了多達(dá)5個水分子，形成“質(zhì)子接力”式分解機(jī)制，與局域反應(yīng)路徑計算結(jié)果截然不同。該研究揭示了核量子效應(yīng)在質(zhì)子轉(zhuǎn)移動力學(xué)中的關(guān)鍵作用，為金屬表面水吸附和水介導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)等研究開辟了新視角。近期，相關(guān)研究成果以Quantum Delocalization Enables Water Dissociation on Ru(0001)為題，發(fā)表在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、國家重點研發(fā)計劃等的支持。全文鏈接金屬釕（0001）表面水分子吸附構(gòu)型的能量預(yù)測機(jī)器學(xué)習(xí)勢加速的路徑積分分子動力學(xué)模擬揭示核量子效應(yīng)驅(qū)動的水分子長程解離機(jī)制核量子效應(yīng)誘導(dǎo)的水分子結(jié)構(gòu)演變與質(zhì)子轉(zhuǎn)移能壘變化