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定性、腐蝕防護、光催化水分解和電化學制氫等諸多關鍵過程。然而，由于固-水界面相互作用以及水中氫鍵網絡的相互競爭，導致金屬表面的水分子構型十分復雜。比如金屬釕表面的水是以分子態吸附還是解離態存在，學術界長期存在爭議。實驗手段因受限于時空分辨率，難以捕捉水的動態構型，導致了部分結果支持金屬釕表面水以分子態吸附，而另一些實驗則支持水以解離態吸附。
針對這一科學難題，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料設計與計算研究部陳星秋、劉培濤團隊發展了升級版矩張量機器學習勢模型，通過模擬退火并結合遺傳算法優化矩張量縮并路徑，使得非等價中間張量數量及縮并次數最低，實現了精度與效率兼顧，不但在計算精度方面接近密度泛函理論精度，能準確捕捉界面水復雜的結構和氫鍵的微妙變化，而且計算效率也大幅度提升，為復雜體系的跨尺度原子模擬提供了新手段。
研究團隊利用自己開發的計算工具，通過路徑積分分子動力學模擬，首次在亞微秒（幾百納秒）時間尺度上模擬揭示了氫質子量子隧穿的動態過程，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同機制分解為氫離子H?和氫氧根離子OH?的完整路徑，在原子尺度模擬實現了水分子在核量子效應驅動下的解離現象，為金屬釕表面水分子分解提供了科學依據，解決了領域內的這一長期爭議。研究發現：（1）核量子效應使質子發生離域，將質子轉移能壘降低了近一半，極大促進了質子在水分子間的快速轉移。相比之下，經典分子動力學模擬由于未考慮核量子效應，即使在微秒時間尺度內也未能觀察到水的分解現象；（2）核量子效應驅動長程質子轉移，水分子分解過程中質子轉移跨越了多達5個水分子，形成“質子接力”式分解機制，與局域反應路徑計算結果截然不同。該研究不僅解決了表面科學領域長期存在的爭議，更揭示了核量子效應在質子轉移動力學中的關鍵作用，為金屬表面水吸附和水介導化學反應等研究開辟了新視角。
該項研究近期以“Quantum Delocalization Enables Water Dissociation on Ru(0001)”為題發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）。中國科學院金屬研究所曹宇、王建韜博士研究生為共同第一作者，劉培濤和陳星秋研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃等相關項目資助。
圖1. 金屬釕(0001)表面水分子吸附構型的能量預測
圖2. 機器學習勢加速的路徑積分分子動力學模擬揭示核量子效應驅動的水分子長程解離機制
圖3. 核量子效應誘導的水分子結構演變與質子轉移能壘變化
