近日,中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室江凌研究员、杨学明院士团队与清华大学李隽教授团队合作,利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法,发现了多个最小冰立方的新结构,这些最小冰立方是由八个水分子组成的水团簇。相关成果发表于《自然—通讯》。

由于冰的结晶过程非常迅速且难以控制,精确解析微冰结构和形成机制仍是一个科学难题。研究水分子如何一步步成长为水分子团簇、液态水和冰的过程,对理解冰的微观结构和形成机制至关重要。

为实现对中性水团簇的精准探测和结构解析,江凌和杨学明团队自主研发了基于大连极紫外自由电子激光(大连相干光源)的中性团簇红外光谱实验方法,首次实现了质量选择中性水团簇的高灵敏探测及红外光谱研究,发现了最小的水滴是由五个水分子组成的水团簇。

近期,江凌和杨学明团队利用自主研制的中性团簇红外光谱实验装置,测定了质量选择中性水分子八聚体的红外光谱,呈现出冰的光谱特征。清华大学李隽研究组采用自编的TGMin程序结合高精度的量子化学理论方法,计算了水分子八聚体的各种稳定结构和红外光谱,理论与实验高度吻合。研究结果表明,水分子八聚体存在5个稳定的立方体结构,其中3个水立方体结构首次被实验观测到。这些立方体结构中的水分子均以三配位的方式结合在立方体的顶角,这些特殊结构的优异稳定性源于大量的离域三中心二电子氢键作用。更有趣的是,在冰的表面确实存在这种三配位的水分子团簇。

这项工作揭示了最小冰立方的多个新的结构,为揭开冰的微观结构和形成机制(尤其是速冻)提供了新思路。(记者刘万生 通讯员李刚)