發(fā)布時間:2020-07-12

水是地表最多的分子。長期以來,“水的結(jié)構(gòu)是什么?”是最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。 (資料圖片)
“水的結(jié)構(gòu)是什么?”這是國際頂級科學(xué)期刊《科學(xué)》在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學(xué)問題之一。自然界的水,不是以單一水分子(H2O)形式存在的,而是由若干水分子通過氫鍵作用聚合在一起,形成水分子簇,俗稱“水團(tuán)簇”。水分子通過自身不停振動和轉(zhuǎn)動,以及內(nèi)部氫鍵斷裂與生成過程,促使水團(tuán)簇形成各種動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu):少量水分子組成的水團(tuán)簇呈現(xiàn)平面型,當(dāng)水分子達(dá)到一定數(shù)量之后,水團(tuán)簇就會呈現(xiàn)立體結(jié)構(gòu)——這也被稱作水滴。
最小的水滴有多大?長期以來,科學(xué)家們認(rèn)為最小的水滴是由6個水分子組成的水團(tuán)簇——然而近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所江凌研究員與楊學(xué)明院士團(tuán)隊,以及清華大學(xué)李雋教授研究團(tuán)隊在由5個水分子組成的水團(tuán)簇中,發(fā)現(xiàn)了三維立體結(jié)構(gòu)的存在,證明最小水滴是由5個水分子組成的水團(tuán)簇。
“我們利用大連相干光源,揭示了有限溫度條件下水分子5聚體已開始呈現(xiàn)體相水的結(jié)構(gòu)特征,從全新角度詮釋了水的奧秘?!苯枵f。
他們利用自主研制的紅外光譜實驗裝置,首次發(fā)現(xiàn)5個水分子團(tuán)簇(H2O)5,具有三維立體水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的特征;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,理論與實驗高度吻合。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。他們還提出了三中心二電子氫鍵模型,精準(zhǔn)分析了水團(tuán)簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。
該實驗揭示了由5個水分子組成的水團(tuán)簇已開始呈現(xiàn)水的立體結(jié)構(gòu)與光譜特征,突破了人們長期以來對最小水滴是6個水分子團(tuán)簇的傳統(tǒng)認(rèn)知,為揭開水的微觀結(jié)構(gòu)演化奧秘提供了新思路。
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