研究團隊利用大連相干光源發現最小冰立方多個新結構

2020-11-05 光明網

本報訊（記者劉萬生 通訊員李剛）近日，中國科學院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室江凌研究員、楊學明院士團隊與清華大學李雋教授團隊合作，利用自主研製的基於大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，發現了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。相關成果發表於《自然—通訊》。

由於冰的結晶過程非常迅速且難以控制，精確解析微冰結構和形成機制仍是一個科學難題。研究水分子如何一步步成長為水分子團簇、液態水和冰的過程，對理解冰的微觀結構和形成機制至關重要。

為實現對中性水團簇的精準探測和結構解析，江凌和楊學明團隊自主研發了基於大連極紫外自由電子雷射（大連相干光源）的中性團簇紅外光譜實驗方法，首次實現了質量選擇中性水團簇的高靈敏探測及紅外光譜研究，發現了最小的水滴是由五個水分子組成的水團簇。

近期，江凌和楊學明團隊利用自主研製的中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定了質量選擇中性水分子八聚體的紅外光譜，呈現出冰的光譜特徵。清華大學李雋研究組採用自編的TGMin程序結合高精度的量子化學理論方法，計算了水分子八聚體的各種穩定結構和紅外光譜，理論與實驗高度吻合。研究結果表明，水分子八聚體存在5個穩定的立方體結構，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，這些特殊結構的優異穩定性源於大量的離域三中心二電子氫鍵作用。更有趣的是，在冰的表面確實存在這種三配位的水分子團簇。

這項工作揭示了最小冰立方的多個新的結構，為揭開冰的微觀結構和形成機制（尤其是速凍）提供了新思路。

來源： 《中國科學報》

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