大连化物所利用大连光源发现最小水滴 揭开水的微观结构演化之秘

    “水的结构是什么？”这是《科学》杂志在创刊125周年特刊中提出的125个最具挑战性的科学问题之一。

       自然界的水不是以单一水分子（H2O）的形式存在的，而是由若干水分子通过氢键作用而聚合在一起，形成水分子簇，俗称水团簇。水分子通过自身不停地振动和转动，以及其内部氢键断裂和生成的过程，促使水团簇形成各种动态的网络结构：少量水分子组成的水团簇呈现平面型，当水分子达到一定数量之后水团簇就会呈现立体结构，这些立体的水团簇也被称作水滴。

       最小的水滴有多大？长期以来，科学家们认为最小的水滴是由六个水分子组成的水团簇。然而近日，中国科学院大连化学物理研究所（以下简称大连化物所）江凌研究员和杨学明院士团队，以及清华大学李隽教授研究团队在由五个水分子组成的水团簇中发现了三维立体结构的存在，证明最小的水滴是由五个水分子组成的水团簇。相关成果发表于《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）上。“我们利用大连相干光源，揭示了有限温度条件下水分子五聚体已开始呈现体相水的结构特征，从全新的角度诠释了水的奥秘。”江凌介绍到。

       江凌和杨学明团队利用自主研制的基于大连相干光源中性团簇红外光谱实验装置，测定了质量选择的中性水团簇(H2O)n (n = 3-6)的红外光谱，首次发现五个水分子团簇(H2O)5在3500至3600 cm-1区间出现显著的OH伸缩振动，具有三维立体水团簇结构的特征峰。李隽团队采用自编的TGMin程序结合高精度的量子化学理论方法，计算了水团簇的各种稳定结构和红外光谱，理论与实验高度吻合。研究结果表明，在有限温度条件下(H2O)5的二维和三维结构可以共存，三维立体结构的形成是引起红外光谱显著变化的根本原因。他们提出了三中心二电子（3 center-2 electron）氢键模型，精准分析了水团簇网络结构的形成机制。

       该工作揭示了由五个水分子组成的水团簇已经开始呈现水的立体结构和光谱特征，突破了人们长期以来对最小水滴是六个水分子团簇的传统认知，为揭开水的微观结构演化的奥秘提供了新的思路。

       该工作得到国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”科学中心项目、中国科学院战略性先导专项（B类）“能源化学转化的本质与调控”﹑中国科学院国际大科学计划培育专项“利用大连相干光源开展能源转化基础科学研究”、自然科学基金面上项目、科学挑战项目、大连相干光源专项基金项目等资助。