【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)簇光譜與動力學(xué)研究組(2506組)江凌研究員、李剛副研究員實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊聯(lián)合清華大學(xué)李雋院士理論團(tuán)隊，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)站，表征了水分子十一聚體團(tuán)簇的三種結(jié)構(gòu)模型(515、43′4和55′1)，為理解水的復(fù)雜氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演化機(jī)制提供了新的科學(xué)依據(jù)。
 

　　水作為地球上最重要的分子之一，在能源催化、大氣環(huán)境、生命科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。水分子通過持續(xù)振動、轉(zhuǎn)動和氫鍵重組，構(gòu)建出復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，使得液態(tài)水的微觀構(gòu)型難以捕捉，其結(jié)構(gòu)表征長期面臨挑戰(zhàn)。由于水團(tuán)簇中的水分子間作用力與液態(tài)水相似，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征，不僅有助于揭示常規(guī)凝聚相實(shí)驗(yàn)難以獲得的氫鍵網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基元，還可為開發(fā)高精確水勢函數(shù)和通用水模型提供核心基準(zhǔn)。然而，中性物種因缺乏電荷而難以探測和質(zhì)量選擇，導(dǎo)致中性水團(tuán)簇的精密光譜研究長期受限于尺寸選擇的技術(shù)瓶頸。
 

　　為實(shí)現(xiàn)中性水團(tuán)簇的精準(zhǔn)探測與結(jié)構(gòu)解析，江凌與李剛研究團(tuán)隊自主開發(fā)了基于大連相干光源的中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量選擇的中性水團(tuán)簇的高靈敏紅外光譜探測(J. Phys. Chem. Lett.，2020)?；谠摲椒ǎ瑘F(tuán)隊已實(shí)現(xiàn)了水二聚體到十聚體(H2O)n(n = 2–10)的紅外光譜研究(Proc. Natl. Acad. Sci.，2020； Nat. Commun.，2020； Cell Rep. Phys. Sci.，2022； J. Chem. Phys.，2023；J. Phys. Chem. Lett.，2024)，發(fā)現(xiàn)了一系列新奇結(jié)構(gòu)：確定了五個水分子構(gòu)成的最小水滴立體結(jié)構(gòu)，揭示了水六聚體的“3+3”、水八聚體的“4+4”、水十聚體的“5+5”結(jié)構(gòu)模型。這些結(jié)果表明，小尺寸水環(huán)的堆積模式在水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中起著至關(guān)重要的作用。
 

　　在本工作中，江凌和李剛團(tuán)隊利用基于大連相干光源的中性團(tuán)簇實(shí)驗(yàn)站，測定了中性水分子十一聚體團(tuán)簇((H2O)11)的紅外光譜，并結(jié)合李雋團(tuán)隊的高精度量子化學(xué)計算結(jié)果，確定了其三種最低能量結(jié)構(gòu)模型(515、43′4和55′1)，分別對應(yīng)“5+1+5”“4+3+4”和“5+5+1”的水團(tuán)簇組合模式，其中515結(jié)構(gòu)占主導(dǎo)地位。進(jìn)一步，團(tuán)隊通過熱力學(xué)計算分析，揭示了從水分子十聚體形成上述三種結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇生長機(jī)制。該研究不僅為理解水的氫鍵網(wǎng)絡(luò)演化機(jī)制提供了實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)，也為進(jìn)一步開展中性水合團(tuán)簇的尺寸依賴性研究奠定了基礎(chǔ)，有望推動微液滴化學(xué)、鹽溶解和酸解離等逐步反應(yīng)機(jī)制的深入探索。
 

　　相關(guān)研究成果以“Experimental determination of structural motifs of interference-free water undecamer cluster (H2O)11”為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。該工作的共同第一作者是中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所2506組博士研究生王天通和中國科學(xué)院贛江創(chuàng)新研究院副研究員張陽陽。該工作得到科技部科技創(chuàng)新2030-重大項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金委“動態(tài)化學(xué)前沿研究”基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于極紫外光源的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)精準(zhǔn)探測”等項(xiàng)目的資助。(文/圖 王天通)