中國科學家發現最小冰立方新結構

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，由於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、液態水和冰的過程，有利於理解冰的微觀結構和形成機制。紅外光譜是研究物質結構的有效方法之一，與離子團簇不同，中性水團簇由於缺乏電荷、難於探測，實驗研究少，因此，實現質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展上取得進展，自主研發出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，首次實現質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），發現最小的水滴是由五個水分子組成的水團簇（Proc. Natl. Acad. Sci.）。該實驗方法有利於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製的中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定質量選擇中性水分子八聚體（H2O）8的紅外光譜，呈現冰的光譜特徵；李雋團隊採用自編的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（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「動態化學前沿研究」科學中心項目、中科院戰略性先導科技專項（B類）「能源化學轉化的本質與調控」、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化基礎科學研究」、自然科學基金面上項目、科學挑戰項目、大連相干光源專項基金項目等的支持。

來源：大連化學物理研究所