什么是电子隧穿？
电子隧穿：在物理化学过程中，电子等微观粒子能够穿过它们本来无法通过的“墙壁”的现象。
图：金属/金属氧化物界面杂化和电子从金属衬底穿过氧化物赋予CoOx的隧穿具有卓越的电化学活性和更高的耐毒性的超薄膜。ACS Catal. 2018, 8, 3, 2343-2352
可以大概理解为电子的穿墙术。
一般情况下，电子很难穿过绝缘层，只能穿过导电层。电子隧穿特指电子能够穿过本身不易穿过的物质，如绝缘体氧化物，这种绝缘体又称为势垒。
电子具有波动性，其运动用波函数描述，而波函数遵循薛定谔方程，从薛定谔方程的解就可以知道电子在各个区域出现的概率密度，从而能进一步得出电子穿过势垒的概率。该概率随着势垒宽度的增加而指数衰减。因此，在宏观实验中，不容易观察到该现象。
电子隧穿效应一般不发生在宏观尺度，一般发生于微观尺度。例如，电子隧穿效应的可修复电子材料、可愈合和可变形的导电材料等。电子隧穿是扫描隧道显微镜的基本原理。福勒诺德海姆隧道用于闪存存储器和场发射显示器。电子隧穿控制着磁隧道结、磁随机存取存储器中的关键元件和铁电隧道结的特性，这些特性有可能超过基于铁电电容的传统随机存取存储器。
量子力学隧穿的一种普遍情况假设是，随着电子能量的增加，有效势垒高度减小，导致电子波的衰减变慢。例如，如果U是势垒高度，EF是费米能量，则衰减常数由ke^2=2me（U−EF）/ℏ^2给出，其中me是电子质量。假设EF与绝缘子的导带最小值（CBM）足够接近，因此电子隧穿控制传输，势垒高度由CBM能量决定，即U=ECBM.然而，如果EF位于足够接近绝缘子的价带最大值（VBM），衰变常数由kh^2=−2mh（U−EF）/ℏ^2，mh是洞质量和势垒高度VBM能量，即U=EVBM.在这种空穴隧穿情况下，有效势垒高度随EF的增加而增加，导致更高的衰减常数。
质子隧穿是量子力学中的一种现象，指的是质子在没有足够经典能量的情况下，仍然可以穿越一个能量障碍（势垒），到达本应无法到达的位置。
在经典物理中，如果一个粒子的能量不足以翻越一个势垒，它就只能被挡住；但在量子世界里，粒子不是“点”，而是具有波动性的“概率云”，因此有一定概率“隧穿”过去——这就是隧穿效应，而当这种粒子是质子时，称之为质子隧穿。
由于质子质量较大（比电子大约1836倍），其隧穿能力通常弱于电子；
但在某些特殊环境中（如低温、有利的分子排列或氢键网络），质子隧穿可以变得明显；
质子隧穿一般在纳米尺度、分子水平甚至生命体系中产生重要影响。
1.化学反应：某些反应中，质子隧穿可以加快反应速率，尤其是涉及氢转移的反应。
质子隧穿效应在某些化学反应中，特别是涉及氢转移的反应中，能够显著加快反应速率。这主要是因为质子可以通过量子隧穿效应穿越能量势垒，即使其能量不足以克服该势垒，从而促进反应的进行。
在这些反应中，质子隧穿效应使得质子能够在能量不足以克服势垒的情况下，通过量子隧穿直接穿越势垒，从而加快反应速率。这在低温条件下尤为显著，因为此时经典的热激发不足以提供足够的能量来克服势垒，量子隧穿效应则成为主要的反应途径。
因斯布鲁克大学离子物理与应用物理系的Roland Wester教授及其团队在Nature上发表文章，称其在低温离子阱中测量了氢分子与氘阴离子的量子隧穿反应速率，测量值与理论值一致，首次实验证实了化学反应中量子隧穿效应理论模型的准确性。
Tunnelling measured in a very slow ion–molecule reaction. Nature 615, 425–429 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05727-z
中国科学院大连化学物理研究所揭示了造成OH + HCl → H2O + Cl反应低温强非Arrhenius行为的共振诱导量子隧穿的本质机理。该反应在低温下表现出强烈的非阿伦尼乌斯行为，这意味着反应速率常数在低温区域大大偏离了经典的阿伦尼乌斯公式预测。研究发现，这种现象归因于共振诱导的量子隧穿效应，即由于OH和HCl之间较强的氢键相互作用，诱导了氢原子通过反应势垒的量子隧穿效应，从而增强了低碰撞能区域的反应性。
Chem. Sci., 2022,13, 7955-7961
北京大学郭雪峰团队揭示了静电催化和质子隧穿下的单分子溶剂解反应动力学，研究人员在单分子水平上成功捕获了两个短寿命的质子化中间体，并揭示了它们在溶剂分解反应中的作用。此外，结合温度和同位素依赖性实验与理论模拟，研究发现由乙酸溶剂构建的氢键网络在两种中间体的相互转化中起着关键作用，具体表现为三质子协同转移和质子隧穿效应。这一工作不仅强调了电场对化学反应的精确操纵，还为发现物质转化和生命活动中未知的中间体或新现象提供了一种通用的方法。
Angew. Chem. Int. Ed. 2025, e202425097. https://doi.org/10.1002/anie.202425097
2.酶催化：在某些酶促反应中，质子隧穿是解释其高效催化能力的重要因素。
3.遗传学：DNA碱基对之间的质子隧穿可能会导致碱基配对错误或突变。在 DNA 中，这种效应可能导致质子在碱基对之间的位置发生转移，形成互变异构体。例如，鸟嘌呤-胞嘧啶 (G-C) 碱基对中的质子隧穿可能导致碱基对结构的改变，进而引发点突变。
4.氢键网络中的动态过程：水或蛋白质中的质子跳跃行为，也可能涉及隧穿机制。在水分子间，质子可以沿氢键网络进行跳跃或转移。由于质子的质量很小，在转移过程中会表现出显著的核量子效应，如量子隧穿和零点运动等。这些量子效应使质子能够穿越能量势垒，影响水的物理化学性质。上海交通大学自然科学研究院/物理与天文学院洪亮教授课题组利用中子散射等多种实验手段，研究了氧化石墨烯薄膜的质子传导机制。实验结果表明，质子跳跃和离子扩散这两种导电机制对传导过程的贡献是能够被定量区分的，且氧化石墨烯薄膜电导率与其层间水分子层数的对应关系揭示了导电机制随含水量变化由质子跃迁转变为离子扩散主导的原因
ACS Nano 2022, 16, 9, 13771–13782. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00686
北京大学量子材料中心实现了对单个水团簇的氢键构型动态变化的实时监测，在实空间直接观察到了质子在氢键网络内的协同量子隧穿过程。
Direct visualization of concerted proton tunnelling in a water nanocluster. Nature Phys 11, 235–239 (2015). https://doi.org/10.1038/nphys3225v
蛋白质中的质子隧穿：
在蛋白质中，氢键网络同样存在，质子的隧穿行为可能影响蛋白质的功能和稳定性。质子在氢键网络中的跳跃或隧穿可能参与酶的催化过程、质子泵的功能以及信号传导等生物过程。这些质子转移过程的效率和机制可能受到量子隧穿效应的影响。
本文源自微信公众号：材料er
原文标题：《什么是电子隧穿和质子隧穿？》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/lfTt9ZZFpNKw8zw_puRskg
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