撰稿 / 陳宣豪 (科學推展中心特約編輯)
圖1. 光學解析界面水結構
「帶電水界面（Charged water interfaces）」主導許多自然現象，與各種地質、大氣、生物和技術應用有關，對於先進觸媒和能源儲存裝置的發展非常重要。以環境為例，水的pH值很難匹配礦物表面的中性pH值，所以界面處會有表面電荷，當礦物溶解或生長而改變礦物表面電荷及周遭水溶液的離子組成時，會影響海洋的化學性質。或是離子脫溶和反應中的電荷轉移，也都是直接受水界面特異性的氫鍵網絡所控制。
這一微觀界面結構則受到兩種效應影響：第一個是水分子、溶劑離子、與水相鄰物質之間的界面特異性鍵合作用，稱之為「界面鍵結水層（the bonded interface layer，BIL)。另一個則是界面電荷和擴散離子存在的「離子擴散層(diffuse layer，DL)」，目前已發現BIL控制界面反應的微觀及平衡，決定多種化學和生物過程。例如不同水環境，苯酚的光電離反應在水表面速度比水相中快了一萬倍。另外，生物膜上的水分子會有助沿膜面內的質子傳導。不過受限實驗技術，學術界對這些鍵結水層結構以及其中離子和分子之間的相互作用之知識仍是有限。
動量解析式光學和頻技術
中央研究院物理所溫昱傑博士團隊開發一種「動量解析式非線性光學技術」，透過輸入不同動量的光子產生光學和頻輻射（sum-frequency generation, SFG)，直接量測界面鍵結水層及離子擴散層的振動光譜，從而獲得有關水界面微觀結構和帶電狀態等微觀訊息。
該想法於2016年被首次提出，團隊於2023年利用模型表面活性劑與水的界面首次取得實驗佐證。實驗結果揭露了一個隱藏、具有弱氫鍵供體的水分子鍵結狀態，指出表面活性劑頭基具有完整但非對稱的水合層結構。在另一應用中，研究團隊在兩性離子磷脂酰膽鹼脂質(zwitterionic phosphatidylcholine lipid)與水的界面，發現了受脂質頭基影響而高度極化的鍵結水層結構。
研究團隊提供一種在分子層級、原位探測電化學與生物/水溶液界面的可行方法，由具有不同光子動量的SFG振動光譜，直接探測帶電水界面處BIL振動光譜，並進一步強調了應用動量解析非線性光學於探索具體背景訊號情況下的表面激發，從而擴展了表面非線性光學在一般凝態物理研究中的應用，而凝聚物理是指透過物理學定律來解釋聚相物質行為，除了大眾較耳熟的固、液相之外，凝聚相還包括一些特定物質在低溫條件下的超導相、自旋有關的鐵磁相及反鐵磁相等。
