秋高氣爽，在這麼幹燥的季節裡，補水可以說是非常重要了。
談到補水，你會不會腦中閃過一個念頭，我這一瓶喝下去了多少水分子？
一滴水裡又有多少水分子呢？
別說，還真有科學家在研究這個問題。
近日，大連化學物理研究所的科學家和清華大學合作，結合光譜實驗和理論計算，證明了五個水分子就可以構成最小水滴，而不是之前認為的六個。
什麼，感到不可思議？別急，我們一起來看一看。
自然界的水不是以單一水分子的形式存在的，水分子通過氫鍵作用聚合在一起，當它們結合在一起具有三維立體結構時，我們就可以稱它為水滴。另外，不論它是否形成立體結構，我們都可以稱聚合在一起的水分子為「水分子簇」，俗稱「水團簇」。
水中的氫鍵是指一個水分子的氫原子（供體）與另一個水分子的氧原子（受體）之間形成的相互作用力，一個水分子本身既可以是氫鍵的供體，也可以是氫鍵的受體。正是由於這種力的存在，才會使不同的水分子聚合形成水團簇。
兩個水分子可以構成最小的團簇，這是形成更大水團簇的基礎，水團簇的尺寸變化可以用下式來表示：
之前的研究表明，n=3~5的水團簇傾向於二維環形結構。
科學家們通過理論計算預測出了幾種結構。
三聚水（3個水分子）的能量最低結構近似於等邊三角形。
四聚水的能量最低結構近似於方環形：
五聚水的能量最低結構同樣為二維環形：
而六聚水的稜柱結構、籠型結構和書本型結構的能量相近，比環形結構穩定得多。稜柱結構和籠型結構結構的存在表明水團簇開始由二維環形結構向三維立體結構轉變。
當n>6時，水團簇更傾向於形成三維結構，也就是說，三維水團簇的形成至少需要六個水分子，六個水分子構成了最小的水滴。2012年美國科學家Pate和同事使用寬帶微波光譜法，成功鑑定出了六分子水團簇的三種異構體結構。
可是最新研究發現，原來5個水分子就可以構成三維結構了！
要看懂這個結果，首先得了解一下「紅外特徵吸收峰」。
各種基團在不同條件下都有自己特定的紅外特徵吸收峰，就像人的指紋一樣，具有唯一性。
當一束具有連續波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，該處波長的光就被吸收，分子由原來的基態能級躍遷到能量較高的能級上，在紅外光譜圖上就會顯示對應的特徵峰。
而二維的平面水分子簇和三維的立體水分子簇會具有不同的特徵吸收峰，只要看到三維的特徵吸收峰，就可以判斷有水滴出現了。
這個方法聽起來不難，為什麼一直沒有實現？
之前研究中性水團簇結構的實驗方法主要有微波光譜、遠紅外振動轉動隧道光譜和寬帶轉動光譜等，而這些方法缺乏質量選擇，所能研究的團簇尺寸範圍有限，無法將由少於六個水分子構成的水團簇相互之間進行分離。
也就是說，如果現在有一個三聚水的水團簇和一個五聚水的水團簇，我們是不能將他們分開的，也就無法判定，紅外光譜的變化到底是由於三聚水還是五聚水引起的。
現在，來自大連化物所的江凌和楊學明團隊利用自主研製的基於大連相干光源中性團簇紅外光譜實驗裝置（劃重點！後面會詳細講），測定了質量選擇的中性水團簇（H2O）n（n = 3~6）的紅外光譜，他們首次發現五個水分子團簇(H2O)5在3500至3600 波數區間出現顯著的羥基伸縮振動。
不同於二維平面水分子簇的單個氫供體構型水的OH伸縮振動（標記為SDHB），（H2O）5顯示出了具有雙氫供體構型水的OH伸縮振動（標記為DDHB），而這是具有三維立體水團簇結構的特徵峰，證明（H2O）5形成了更緊密的非環狀結構。
來自清華大學的李雋團隊計算了水團簇的各種穩定結構和紅外光譜，發現理論與實驗高度吻合。
我們來看看上圖， 圖B、C、D是三種不同的五個水分子團簇結構的理論光譜，其中B代表二維結構，C、D代表三維結構，可以看到，三維結構的理論光譜是有DDHB特徵吸收峰的，而二維結構則沒有DDHB。圖A是五個水分子團簇的實驗紅外光譜，可以看到明顯的DDHB特徵吸收峰。
研究結果表明，在有限溫度條件下（H2O）5的二維和三維結構可以共存，三維立體結構的形成是引起紅外光譜顯著變化的根本原因。這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認知，為揭開水的微觀結構演化的奧秘提供了新的思路。
工欲善其事，必先利其器。這一成果的發現可離不開一位大「功臣」——大連相干光源。
和一般的光源相比，它具有高脈衝能量，可進行連續調節波長等優點。基於大連光源，研究團隊自主設計開發了高亮度可調諧極紫外自由電子雷射（VUV-FEL），通過這個自由電子雷射裝置發出的化學雷射，實現了寬範圍的中性化合物電離檢測。
之前說過水團簇有不同的尺寸（H2O）n（n = 3~6），到底科學家是怎麼確定，形成水滴時n的值就是5的呢？
得到這個結果需要以下6步：
1. 科學家首先將高壓脈衝通過氦氣中超聲擴散的水蒸氣，產生很多大小不等的中性水團簇，可以用（H2O）n來表示，用大連相干光源電離這些水團簇，記錄它們的質量。
2. 加入紅外雷射，這時候，某些水團簇就會吸收紅外雷射，發生部分分解，也就是說，這部分水團簇的質量會減小（還記得上面說過的三維結構特徵吸收峰嗎？）。
3. 30ns後加入大連光源發出的化學雷射。這時候，眾多水團簇中沒有被分解的部分會被化學雷射軟電離，打掉電子，變成帶正電的團簇。
4. 這些水團簇通過反射式飛行時間質譜儀（TOF-MS），在電場當中發生偏轉，再進行質量分析。
5. 由於可以進行精確的質量選擇，科學家們可以分別分析不同n值水團簇的質量，結果發現，n=5時，水團簇發生了吸收。（H2O）n 中n的值由此確定！
6. 由此證明了五個水分子構成了最小的三維立體水團簇。
（沒錯，我就是中性團簇紅外光譜實驗站！）
那我們為什麼要研究水分子是怎樣構成水滴的呢？
雖然已經經過一百多年的研究，但人們對水的結構本質仍然知之甚少，水的結構問題也被《Science》雜誌列為全世界最前沿的125個科學問題之一。
了解氣溶膠的生長機理是控制大氣汙染問題的前提。通常，分子團簇最初是在汙染物分子和水分子之間形成的，然後生長形成較大的氣溶膠顆粒。研究水團簇的形成機理有助於研究氣溶膠顆粒的形成機理。
水團簇的弱相互作用普遍存在於生物超分子體系中，如蛋白質的二級結構主要靠氫鍵作用形成穩定的構型，高水平的水分子簇研究可望為深層次揭示化學、生命科學和信息科學等領域的本質問題提供有力工具。
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