大连化物所等利用大连相干光源发现迄今最小冰立方新结构学术资讯

内容来源：中国科学院

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员江凌与中科院院士、大连化物所研究员杨学明团队，与清华大学教授李隽团队合作，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，该研究为揭开冰的微观结构和形成机制提供新思路。

冰在生活中普遍存在，然而，由于冰的结晶过程迅速且难以控制，精确解析微冰结构和形成机制仍是难题。研究水分子成长为水分子团簇、液态水和冰的过程，有利于理解冰的微观结构和形成机制。红外光谱是研究物质结构的有效方法之一，与离子团簇不同，中性水团簇由于缺乏电荷、难于探测，实验研究少，因此，实现质量选择的中性水团簇的红外光谱研究是科学家的目标。

为实现精准探测和结构解析中性水团簇，近年来，江凌和杨学明团队在相关实验技术发展上取得进展，自主研发出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，首次实现质量选择中性水团簇的高灵敏探测及红外光谱的研究（The Journal of Physical Chemistry Letters），发现最小的水滴是由五个水分子组成的水团簇（Proc. Natl. Acad. Sci.）。该实验方法有利于开展各类中性团簇红外谱学和结构的研究。

近日，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，测定质量选择中性水分子八聚体（H2O）8的红外光谱，呈现冰的光谱特征；李隽团队采用自编的TGMin程序，结合量子化学理论方法，计算水分子八聚体的各种稳定结构和红外光谱，理论与实验吻合。研究表明，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（3 center-2 electron）氢键作用。此外，冰表面存在这种三配位的水分子团簇。该研究揭示了最小冰立方的多个新结构，为揭开冰的微观结构和形成机制（尤其是速冻）提供新思路，对大气科学和水科学等的研究具有意义。

相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。研究工作得到国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”科学中心项目、中科院战略性先导科技专项（B类）“能源化学转化的本质与调控”、中科院国际大科学计划培育专项“利用大连相干光源开展能源转化基础科学研究”、自然科学基金面上项目、科学挑战项目、大连相干光源专项基金项目等的支持。