近日，大連化物所分子反應動力學國家重點實驗室、大連光源科學研究室江凌研究員和楊學明院士團隊與清華大學李雋教授團隊合作，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》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探測和結(jié)構(gòu)解析，江凌和楊學明團隊近年來在相關(guān)實驗技術(shù)發(fā)展上取得了突破，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。
清華大學李雋團隊采用自編的TGMin程序結(jié)合高精度的量子化學理論方法，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（3 center-2 electron）氫鍵模型，精準分析了水團簇網(wǎng)絡結(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，突破了科研人員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的思路。
基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法將水團簇研究推向了新的高度，未來有望應用到大氣霧霾、環(huán)境、能源催化以及生物分子等體系的研究。
相關(guān)成果發(fā)表在《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）上。該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、中國科學院戰(zhàn)略性先導專項（B類）“能源化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、中國科學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(chǔ)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資助。
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