大连化物所利用大连光源发现最小水滴

日期: 2020-06-21
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  “水的结构是什么?”这是《科学》杂志在创刊125周年特刊提出的125个最具挑战性科学问题之一。最小水滴有多大?长期以来,科学家们认为最小的水滴是由六个水分子组成的水团簇。然而近日,中科院大连化学物理研究所江凌研究员和杨学明院士团队,及清华大学李隽教授研究团队在由五个水分子组成的水团簇中发现三维立体结构的存在,证明最小水滴是由五个水分子组成的水团簇。相关成果发表于《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences,USA)。

  “我们利用大连相干光源,揭示了有限温度条件下水分子五聚体已开始呈现体相水的结构特征,从全新角度诠释水的奥秘。”江凌介绍道。自然界的水不是以单一水分子形式存在的,而是由若干水分子通过氢键作用聚合一起,形成水分子簇,俗称水团簇。水分子通过自身不停振动和转动,及其内部氢键断裂和生成过程,促使水团簇形成各种动态网络结构:少量水分子组成的水团簇呈现平面型,当水分子达到一定数量后水团簇就会呈现立体结构,这些立体水团簇也被称作水滴。

  江凌和杨学明团队利用自主研制的基于大连相干光源中性团簇红外光谱实验装置,测定了质量选择的中性水团簇的红外光谱。研究表明,在有限温度条件下五个水分子团簇的二维和三维结构可共存,三维立体结构的形成是引起红外光谱显著变化根本原因。他们提出三中心二电子氢键模型,精准分析了水团簇网络结构形成机制。该工作揭示了由五个水分子组成的水团簇已开始呈现水的立体结构和光谱特征,为揭开水的微观结构演化的奥秘提供了新思路。

  该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、中国科学院战略性先导专项(B类)“能源化学转化的本质与调控”、中国科学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资助。

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