近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所分子反應(yīng)動力學(xué)國家重點實驗室、大連光源科學(xué)研究室研究員江凌和中科院院士楊學(xué)明團隊與清華大學(xué)教授李雋團隊合作，利用自主研制的基于大連相干光源中性團簇紅外光譜實驗方法，揭示了有限溫度條件下水分子五聚體已開始呈現(xiàn)體相水的結(jié)構(gòu)特征，從全新的角度詮釋了水的奧秘。 

“水的結(jié)構(gòu)是什么？”這是《科學(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。水分子不停地經(jīng)歷振動、轉(zhuǎn)動及氫鍵斷裂和生成的過程，從而形成各種動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。液相水的結(jié)構(gòu)是立體的，而最小的水團簇的骨架結(jié)構(gòu)呈平面型。因此，研究水團簇結(jié)構(gòu)的演化，特別是小的水團簇如何從平面骨架構(gòu)型演化成為立體的構(gòu)型，是水結(jié)構(gòu)的一個重要科學(xué)問題，對理解水的微觀結(jié)構(gòu)和奇特物性至關(guān)重要。與離子團簇不同，中性水團簇難于探測，因此實現(xiàn)質(zhì)量選擇的中性水團簇紅外光譜的研究是科研人員長期以來的夢想。 

為實現(xiàn)對中性水團簇的精準(zhǔn)探測和結(jié)構(gòu)解析，江凌和楊學(xué)明團隊近年來在相關(guān)實驗技術(shù)發(fā)展上取得突破，自主研發(fā)了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)了質(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, 2020, 11, 851)。這一獨特的實驗方法也為開展各類中性團簇紅外譜學(xué)和結(jié)構(gòu)的研究打開了大門。 

長期以來，科研人員認為水的最小立體結(jié)構(gòu)是六個水分子的團簇。近期，江凌和楊學(xué)明團隊利用中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定了質(zhì)量選擇的中性水團簇(H2O)n(n=3-6)的紅外光譜，首次發(fā)現(xiàn)五個水分子團簇(H2O)5在3500至3600 cm-1區(qū)間出現(xiàn)顯著的OH伸縮振動，具有三維立體水團簇結(jié)構(gòu)的特征峰。清華大學(xué)李雋團隊采用自編的TGMin程序結(jié)合高精度的量子化學(xué)理論方法，計算了水團簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，理論與實驗高度吻合。研究結(jié)果表明，在有限溫度條件下(H2O)5的二維和三維結(jié)構(gòu)可以共存，三維立體結(jié)構(gòu)的形成是引起紅外光譜顯著變化的根本原因。該團隊提出了三中心二電子氫鍵模型，精準(zhǔn)分析了水團簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機制。該工作揭示了由五個水分子組成的水團簇已經(jīng)開始呈現(xiàn)水的立體結(jié)構(gòu)和光譜特征，突破了長期以來對最小水滴是六個水分子團簇的傳統(tǒng)認知，為揭開水的微觀結(jié)構(gòu)演化的奧秘提供了新思路。 

相關(guān)成果發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）上。該工作得到國家自然科學(xué)基金委“動態(tài)化學(xué)前沿研究”科學(xué)中心項目、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項（B類）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、中科院國際大科學(xué)計劃培育專項“利用大連相干光源開展能源轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)科學(xué)研究”、自然科學(xué)基金面上項目、科學(xué)挑戰(zhàn)項目、大連相干光源專項基金項目等的資助。

相關(guān)鏈接：https://www.pnas.org/content/early/2020/06/11/2000601117