近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員江凌與中科院院士、大連化物所研究員楊學明團隊，與清華大學教授李雋團隊合作，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，發(fā)現(xiàn)多個最小冰立方的新結構，這些最小冰立方是由八個水分子組成的水團簇，該研究為揭開冰的微觀結構和形成機制提供新思路。
冰在生活中普遍存在，然而，由于冰的結晶過程迅速且難以控制，精確解析微冰結構和形成機制仍是難題。研究水分子成長為水分子團簇、液態(tài)水和冰的過程，有利于理解冰的微觀結構和形成機制。紅外光譜是研究物質(zhì)結構的有效方法之一，與離子團簇不同，中性水團簇由于缺乏電荷、難于探測，實驗研究少，因此，實現(xiàn)質(zhì)量選擇的中性水團簇的紅外光譜研究是科學家的目標。
為實現(xiàn)精準探測和結構解析中性水團簇，近年來，江凌和楊學明團隊在相關實驗技術發(fā)展上取得進展，自主研發(fā)出基于大連極紫外自由電子激光（大連相干光源）的中性團簇紅外光譜實驗方法，首次實現(xiàn)質(zhì)量選擇中性水團簇的高靈敏探測及紅外光譜的研究（The Journal of Physical Chemistry Letters），發(fā)現(xiàn)最小的水滴是由五個水分子組成的水團簇（Proc. Natl. Acad. Sci.）。該實驗方法有利于開展各類中性團簇紅外譜學和結構的研究。
近日，江凌和楊學明團隊利用自主研制的中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定質(zhì)量選擇中性水分子八聚體（H2O）8的紅外光譜，呈現(xiàn)冰的光譜特征；李雋團隊采用自編的TGMin程序，結合量子化學理論方法，計算水分子八聚體的各種穩(wěn)定結構和紅外光譜，理論與實驗吻合。研究表明，水分子八聚體存在5個穩(wěn)定的立方體結構，其中3個水立方體結構首次被實驗觀測到。這些立方體結構中的水分子均以三配位的方式結合在立方體的頂角，這些特殊結構的優(yōu)異穩(wěn)定性源于大量的離域三中心二電子（3 center-2 electron）氫鍵作用。此外，冰表面存在這種三配位的水分子團簇。該研究揭示了最小冰立方的多個新結構，為揭開冰的微觀結構和形成機制（尤其是速凍）提供新思路，對大氣科學和水科學等的研究具有意義。
相關研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家自然科學基金委“動態(tài)化學前沿研究”科學中心項目、中科院戰(zhàn)略性先導科技專項（B類）“能源化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、中科院國際大科學計劃培育專項“利用大連相干光源開展能源轉(zhuǎn)化基礎科學研究”、自然科學基金面上項目、科學挑戰(zhàn)項目、大連相干光源專項基金項目等的支持。
大連化物所利用大連相干光源發(fā)現(xiàn)最小冰立方新結構
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