【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院大連化學物理研究所化學反應動力學全國重點實驗室團簇光譜與動力學研究組(2506組)江凌研究員、李剛副研究員實驗團隊聯(lián)合清華大學李雋院士理論團隊，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗站，表征了水分子十一聚體團簇的三種結構模型(515、43′4和55′1)，為理解水的復雜氫鍵網(wǎng)絡結構演化機制提供了新的科學依據(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、生命科學等領域發(fā)揮著關鍵作用。水分子通過持續(xù)振動、轉動和氫鍵重組，構建出復雜的氫鍵網(wǎng)絡，使得液態(tài)水的微觀構型難以捕捉，其結構表征長期面臨挑戰(zhàn)。由于水團簇中的水分子間作用力與液態(tài)水相似，對其結構進行表征，不僅有助于揭示常規(guī)凝聚相實驗難以獲得的氫鍵網(wǎng)絡結構基元，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。然而，中性物種因缺乏電荷而難以探測和質量選擇，導致中性水團簇的精密光譜研究長期受限于尺寸選擇的技術瓶頸。
為實現(xiàn)中性水團簇的精準探測與結構解析，江凌與李剛研究團隊自主開發(fā)了基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，實現(xiàn)了質量選擇的中性水團簇的高靈敏紅外光譜探測(J. Phys. Chem. Lett.，2020)。基于該方法，團隊已實現(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)了一系列新奇結構：確定了五個水分子構成的最小水滴立體結構，揭示了水六聚體的“3+3”、水八聚體的“4+4”、水十聚體的“5+5”結構模型。這些結果表明，小尺寸水環(huán)的堆積模式在水的氫鍵網(wǎng)絡構建中起著至關重要的作用。
在本工作中，江凌和李剛團隊利用基于大連相干光源的中性團簇實驗站，測定了中性水分子十一聚體團簇((H2O)11)的紅外光譜，并結合李雋團隊的高精度量子化學計算結果，確定了其三種最低能量結構模型(515、43′4和55′1)，分別對應“5+1+5”“4+3+4”和“5+5+1”的水團簇組合模式，其中515結構占主導地位。進一步，團隊通過熱力學計算分析，揭示了從水分子十聚體形成上述三種結構的團簇生長機制。該研究不僅為理解水的氫鍵網(wǎng)絡演化機制提供了實驗與理論依據(jù)，也為進一步開展中性水合團簇的尺寸依賴性研究奠定了基礎，有望推動微液滴化學、鹽溶解和酸解離等逐步反應機制的深入探索。
相關研究成果以“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院大連化學物理研究所2506組博士研究生王天通和中國科學院贛江創(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-重大項目、國家自然科學基金委“動態(tài)化學前沿研究”基礎科學中心項目、國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項“基于極紫外光源的化學反應過渡態(tài)精準探測”等項目的資助。(文/圖 王天通)
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