最小的水滴究竟有多大？科學家用大連光源有了新發現

“水的結構是什麼？”這是《科學》雜誌在創刊125週年特刊中提出的125個最具挑戰性的科學問題之一。

自然界的水不是以單一水分子（H2O）的形式存在的，而是由若干水分子透過氫鍵作用而聚合在一起，形成水分子簇，俗稱水團簇。水分子透過自身不停地振動和轉動，以及其內部氫鍵斷裂和生成的過程，促使水團簇形成各種動態的網路結構：少量水分子組成的水團簇呈現平面型，當水分子達到一定數量之後水團簇就會呈現立體結構，這些立體的水團簇也被稱作水滴。

最小的水滴有多大？長期以來，科學家們認為最小的水滴是由六個水分子組成的水團簇。然而近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱大連化物所）江凌研究員和楊學明院士團隊，以及清華大學李雋教授研究團隊在由五個水分子組成的水團簇中發現了三維立體結構的存在，證明最小的水滴是由五個水分子組成的水團簇。相關成果發表於《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）上。“我們利用大連相干光源，揭示了有限溫度條件下水分子五聚體已開始呈現體相水的結構特徵，從全新的角度詮釋了水的奧秘。”江凌介紹到。

江凌和楊學明團隊利用自主研製的基於大連相干光源中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定了質量選擇的中性水團簇（H2O）n （n = 3-6）的紅外光譜，首次發現五個水分子團簇（H2O）5在3500至3600 cm-1區間出現顯著的OH伸縮振動，具有三維立體水團簇結構的特徵峰。李雋團隊採用自編的TGMin程式結合高精度的量子化學理論方法，計算了水團簇的各種穩定結構和紅外光譜，理論與實驗高度吻合。研究結果表明，在有限溫度條件下（H2O）5的二維和三維結構可以共存，三維立體結構的形成是引起紅外光譜顯著變化的根本原因。他們提出了三中心二電子（3 center-2 electron）氫鍵模型，精準分析了水團簇網路結構的形成機制。

該工作揭示了由五個水分子組成的水團簇已經開始呈現水的立體結構和光譜特徵，突破了人們長期以來對最小水滴是六個水分子團簇的傳統認知，為揭開水的微觀結構演化的奧秘提供了新的思路。

該工作得到國家自然科學基金委“動態化學前沿研究”科學中心專案、中國科學院戰略性先導專項（B類）“能源化學轉化的本質與調控”﹑中國科學院國際大科學計劃培育專項“利用大連相干光源開展能源轉化基礎科學研究”、自然科學基金面上專案、科學挑戰專案、大連相干光源專項基金專案等資助。

編輯：王星