近日，中國科學院大連化學物理研究所分子反應(yīng)動力學國家重點實驗室、大連光源科學研究室研究員江凌和院士楊學明團隊與清華大學教授李雋團隊合作，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，在類冰中性水團簇七聚體中發(fā)現(xiàn)了多個棱柱狀和籠狀結(jié)構(gòu)，為揭開液態(tài)水至微冰的氫鍵網(wǎng)絡(luò)演化機制提供了新思路。
液態(tài)水和冰之間的互相轉(zhuǎn)換是一種普遍存在的自然現(xiàn)象。然而，由于液態(tài)水和冰內(nèi)部的動態(tài)氫鍵變化非常迅速且難以控制，精確解析液態(tài)水到冰的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(tài)水和冰的過程，對理解冰的微觀結(jié)構(gòu)和形成機制至關(guān)重要。紅外光譜是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最有效方法之一。與離子團簇不同，中性水團簇由于缺乏電荷、難于探測而實驗研究甚少，因此，實現(xiàn)質(zhì)量選擇的中性水團簇的紅外光譜研究是科學家們長期以來的夢想。
為實現(xiàn)對中性水團簇的精準探測和結(jié)構(gòu)解析，江凌和楊學明團隊近年來在相關(guān)實驗技術(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）的中性團簇紅外光譜實驗方法，首次實現(xiàn)了質(zhì)量選擇中性水團簇的高靈敏探測及紅外光譜的研究（J. Phys. Chem. Lett.，2020），利用該方法，發(fā)現(xiàn)了最小水滴立體結(jié)構(gòu)是由五個水分子團簇組成（Proc. Natl. Acad. Sci.，2020），發(fā)現(xiàn)了最小分子冰立方的多個新結(jié)構(gòu)，揭示了水團簇的成鍵特征（Nat. Commun.，2020）。這一獨特的實驗方法也為開展各類中性團簇紅外譜學和結(jié)構(gòu)的研究打開了大門。
大連化物所利用大連相干光源發(fā)現(xiàn)類冰團簇的結(jié)構(gòu)復雜性
水分子七聚體(H2O)7被認為是類冰立方體結(jié)構(gòu)的無定型前驅(qū)體。本工作中，江凌和楊學明團隊利用自主研制的中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定了質(zhì)量選擇中性(H2O)7的紅外光譜呈現(xiàn)出復雜的光譜特征。李雋團隊采用高精度的量子化學理論方法，計算了(H2O)7的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，理論和實驗結(jié)果高度吻合。研究表明，(H2O)7在特定溫度下存在多個能量相近的結(jié)構(gòu)，它們主要分為棱柱狀和籠狀兩類結(jié)構(gòu)，其中棱柱狀結(jié)構(gòu)對紅外譜圖貢獻較大，該類特殊結(jié)構(gòu)的復雜性源于棱柱(H2O)6氫鍵生長和立方體(H2O)8氫鍵斷裂之間的結(jié)構(gòu)模型競爭。該工作揭示了液態(tài)水至冰轉(zhuǎn)換過程中的微觀結(jié)構(gòu)，對于大氣科學和水科學等領(lǐng)域的研究具有重要的科學意義。
相關(guān)研究成果以“Infrared Spectroscopic Signature of the Structural Diversity of the Water Heptamer”為題，發(fā)表在Cell Reports Physical Science上。該工作得到國家自然科學基金、中科院B類先導專項“能源化學轉(zhuǎn)化的本質(zhì)與調(diào)控”、科學挑戰(zhàn)項目、大連相干光源專項基金等項目的資助。
