來源：《經濟日報》
發(fā)布時間：2020-07-12
水是地表最多的分子。長期以來，“水的結構是什么？”是最具挑戰(zhàn)性的科學問題之一。 （資料圖片）
“水的結構是什么？”這是國際頂級科學期刊《科學》在創(chuàng)刊125周年特刊中提出的125個最具挑戰(zhàn)性的科學問題之一。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“水團簇”。水分子通過自身不停振動和轉動，以及內部氫鍵斷裂與生成過程，促使水團簇形成各種動態(tài)的網絡結構：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后，水團簇就會呈現立體結構——這也被稱作水滴。
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6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江凌研究員與楊學明院士團隊，以及清華大學李雋教授研究團隊在由5個水分子組成的水團簇中，發(fā)現了三維立體結構的存在，證明最小水滴是由5個水分子組成的水團簇。
“我們利用大連相干光源，揭示了有限溫度條件下水分子5聚體已開始呈現體相水的結構特征，從全新角度詮釋了水的奧秘。”江凌說。
他們利用自主研制的紅外光譜實驗裝置，首次發(fā)現5個水分子團簇(H2O)5，具有三維立體水團簇結構的特征；采用自編的TGMin程序結合高精度的量子化學理論方法，計算了水團簇的各種穩(wěn)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。他們還提出了三中心二電子氫鍵模型，精準分析了水團簇網絡結構的形成機制。
該實驗揭示了由5個水分子組成的水團簇已開始呈現水的立體結構與光譜特征，突破了人們長期以來對最小水滴是6個水分子團簇的傳統(tǒng)認知，為揭開水的微觀結構演化奧秘提供了新思路。
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