近日，大連化物所分子反應(yīng)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、大連光源科學(xué)研究室江凌研究員和楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)李雋教授團(tuán)隊(duì)合作，利用自主研制的基于大連相干光源中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)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(xué)》雜志在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個(gè)最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。水分子不停地經(jīng)歷振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)及氫鍵斷裂和生成的過程，從而形成各種動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。液相水的結(jié)構(gòu)是立體的，而最小的水團(tuán)簇的骨架結(jié)構(gòu)呈平面型。因此，研究水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的演化，特別是小的水團(tuán)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(gè)重要科學(xué)問題，對(duì)理解水的微觀結(jié)構(gòu)和奇特物性至關(guān)重要。與離子團(tuán)簇不同，中性水團(tuán)簇難于探測(cè)，因此實(shí)現(xiàn)質(zhì)量選擇的中性水團(tuán)簇紅外光譜的研究是科研人員長(zhǎng)期以來的夢(mèng)想。
為實(shí)現(xiàn)對(duì)中性水團(tuán)簇的精準(zhǔn)探測(cè)和結(jié)構(gòu)解析，江凌和楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)近年來在相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法，首次實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量選擇中性水團(tuán)簇的高靈敏探測(cè)及紅外光譜的研究 (The Journal of Physical Chemistry Letters, 2020, 11, 851)。這一獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)方法也為開展各類中性團(tuán)簇紅外譜學(xué)和結(jié)構(gòu)的研究打開了大門。
長(zhǎng)期以來，科研人員認(rèn)為水的最小立體結(jié)構(gòu)是六個(gè)水分子的團(tuán)簇。近期，江凌和楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)利用中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定了質(zhì)量選擇的中性水團(tuán)簇(H2O)n(n=3-6)的紅外光譜，首次發(fā)現(xiàn)五個(gè)水分子團(tuán)簇(H2O)5在3500至3600 cm-1區(qū)間出現(xiàn)顯著的OH伸縮振動(dòng)，具有三維立體水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的特征峰。
清華大學(xué)李雋團(tuán)隊(duì)采用自編的TGMin程序結(jié)合高精度的量子化學(xué)理論方法，計(jì)算了水團(tuán)簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，理論與實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)提出了三中心二電子（3 center-2 electron）氫鍵模型，精準(zhǔn)分析了水團(tuán)簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。該工作揭示了由五個(gè)水分子組成的水團(tuán)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(zhǎng)期以來對(duì)最小水滴是六個(gè)水分子團(tuán)簇的傳統(tǒng)認(rèn)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(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法將水團(tuán)簇研究推向了新的高度，未來有望應(yīng)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(guó)科學(xué)院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）上。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委“動(dòng)態(tài)化學(xué)前沿研究”科學(xué)中心項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項(xiàng)（B類）“能源化學(xué)轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際大科學(xué)計(jì)劃培育專項(xiàng)“利用大連相干光源開展能源轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)科學(xué)研究”、自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、科學(xué)挑戰(zhàn)項(xiàng)目、大連相干光源專項(xiàng)基金項(xiàng)目等資助。
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