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水如何成冰? 科学家发现最小冰立方新结构

科技日报·2020/11/04

11月2日,记者从中国科学院大连化物所获悉,该所江凌研究员和杨学明院士团队与清华大学李隽教授研究组合作,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,发现了多个最小冰立方的新结构,这些最小冰立方是由8个水分子组成的水团簇,这为揭开冰的微观结构和形成机制提供了新思路。相关成果于近日发表在《自然·通讯》上。
冰在我们的生活中是普遍存在的。然而,由于冰的结晶过程非常迅速并且难以控制,精确解析微冰结构和形成机制仍是一个巨大的科学难题。研究水分子如何一步步成长为水分子团簇、液态水和冰的过程,对理解冰的微观结构和形成机制至关重要。
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在研究中发现,中性水分子八聚体(H2O)8的红外光谱呈现出冰的光谱特征。此外,李隽研究组采用自编的TGMin程序结合高精度的量子化学理论方法,计算出水分子八聚体的各种稳定结构和红外光谱,理论结果与实验结果高度吻合,说明这些最小冰立方是由8个水分子组成的水团簇。
研究结果表明,水分子八聚体存在5个稳定的立方体结构,其中3个水立方体结构是首次被实验观测到。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氢键作用。
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”提供了新思路,对于大气科学和水科学等领域的研究具有重要的科学意义。
编辑:朱柄燚