科研人員發(fā)現(xiàn)多個(gè)最小冰立方的新結(jié)構(gòu) 揭開冰的微觀結(jié)構(gòu)提供新思路

11月2日，記者從中國(guó)科學(xué)院大連化物所獲悉，該所江凌研究員和楊學(xué)明院士團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)李雋教授研究組合作，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法，發(fā)現(xiàn)了多個(gè)最小冰立方的新結(jié)構(gòu)，這些最小冰立方是由8個(gè)水分子組成的水團(tuán)簇，這為揭開冰的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制提供了新思路。相關(guān)成果于近日發(fā)表在《自然·通訊》上。

冰在我們的生活中是普遍存在的。然而，由于冰的結(jié)晶過程非常迅速并且難以控制，精確解析微冰結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制仍是一個(gè)巨大的科學(xué)難題。研究水分子如何一步步成長(zhǎng)為水分子團(tuán)簇、液態(tài)水和冰的過程，對(duì)理解冰的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制至關(guān)重要。

江凌和楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)利用自主研制的中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置在研究中發(fā)現(xiàn)，中性水分子八聚體(H2O)8的紅外光譜呈現(xiàn)出冰的光譜特征。此外，李雋研究組采用自編的TGMin程序結(jié)合高精度的量子化學(xué)理論方法，計(jì)算出水分子八聚體的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合，說明這些最小冰立方是由8個(gè)水分子組成的水團(tuán)簇。

研究結(jié)果表明，水分子八聚體存在5個(gè)穩(wěn)定的立方體結(jié)構(gòu)，其中3個(gè)水立方體結(jié)構(gòu)是首次被實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到。這些立方體結(jié)構(gòu)中的水分子均以三配位的方式結(jié)合在立方體的頂角，這些特殊結(jié)構(gòu)的優(yōu)異穩(wěn)定性源于大量的離域三中心二電子氫鍵作用。

該研究揭示了最小冰立方的多個(gè)新結(jié)構(gòu)，為揭開冰的微觀結(jié)構(gòu)和形成機(jī)制尤其是“速凍”提供了新思路，對(duì)于大氣科學(xué)和水科學(xué)等領(lǐng)域的研究具有重要的科學(xué)意義。(記者郝曉明)

關(guān)鍵詞： 水如何成冰