【水科技前沿】
中國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)五個(gè)水分子就能構(gòu)成最小水滴
自然界的水不是以單一水分子的形式存在的，水分子通過氫鍵作用聚合在一起，當(dāng)它們結(jié)合在一起具有三維立體結(jié)構(gòu)時(shí)，我們就可以稱它為水滴。另外，不論它是否形成立體結(jié)構(gòu)，我們都可以稱聚合在一起的水分子為“水分子簇”，俗稱“水團(tuán)簇”。
水中的氫鍵是指一個(gè)水分子的氫原子（供體）與另一個(gè)水分子的氧原子（受體）之間形成的相互作用力，一個(gè)水分子本身既可以是氫鍵的供體，也可以是氫鍵的受體。正是由于這種力的存在，才會(huì)使不同的水分子聚合形成水團(tuán)簇。
兩個(gè)水分子可以構(gòu)成最小的團(tuán)簇，這是形成更大水團(tuán)簇的基礎(chǔ)，水團(tuán)簇的尺寸變化可以用下式來表示
之前的研究表明，n=3~5的水團(tuán)簇傾向于二維環(huán)形結(jié)構(gòu)。
科學(xué)家們通過理論計(jì)算預(yù)測(cè)出了幾種結(jié)構(gòu)：
三聚水（3個(gè)水分子）的能量最低結(jié)構(gòu)近似于等邊三角形
四聚水的能量最低結(jié)構(gòu)近似于方環(huán)形：
五聚水的能量最低結(jié)構(gòu)同樣為二維環(huán)形：
而六聚水的棱柱結(jié)構(gòu)、籠型結(jié)構(gòu)和書本型結(jié)構(gòu)的能量相近，比環(huán)形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定得多。棱柱結(jié)構(gòu)和籠型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的存在表明水團(tuán)簇開始由二維環(huán)形結(jié)構(gòu)向三維立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。
當(dāng)n>6時(shí)，水團(tuán)簇更傾向于形成三維結(jié)構(gòu)，也就是說，三維水團(tuán)簇的形成至少需要六個(gè)水分子，六個(gè)水分子構(gòu)成了最小的水滴。2012年美國(guó)科學(xué)家Pate和同事使用寬帶微波光譜法，成功鑒定出了六分子水團(tuán)簇的三種異構(gòu)體結(jié)構(gòu)。
可是中國(guó)最新研究發(fā)現(xiàn)，原來5個(gè)水分子就可以構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)了！
當(dāng)一束具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光通過物質(zhì)，物質(zhì)分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率和紅外光的頻率一樣時(shí)，該處波長(zhǎng)的光就被吸收，分子由原來的基態(tài)能級(jí)躍遷到能量較高的能級(jí)上，在紅外光譜圖上就會(huì)顯示對(duì)應(yīng)的特征峰。
而二維的平面水分子簇和三維的立體水分子簇會(huì)具有不同的特征吸收峰，只要看到三維的特征吸收峰，就可以判斷有水滴出現(xiàn)了。
現(xiàn)在，來自大連化物所的江凌和楊學(xué)明團(tuán)隊(duì)利用自主研制的基于大連相干光源中性團(tuán)簇紅外光譜實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)定了質(zhì)量選擇的中性水團(tuán)簇(H2O)n(n = 3~6)的紅外光譜，他們首次發(fā)現(xiàn)五個(gè)水分子團(tuán)簇(H2O)5在3500至3600 波數(shù)區(qū)間出現(xiàn)顯著的羥基伸縮振動(dòng)。不同于二維平面水分子簇的單個(gè)氫供體構(gòu)型水的OH伸縮振動(dòng)(標(biāo)記為SDHB)，(H2O)5顯示出了具有雙氫供體構(gòu)型水的OH伸縮振動(dòng)(標(biāo)記為DDHB)，而這是具有三維立體水團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的特征峰，證明(H2O)5形成了更緊密的非環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
來自清華大學(xué)的李雋團(tuán)隊(duì)計(jì)算了水團(tuán)簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外線譜，發(fā)現(xiàn)理論與實(shí)驗(yàn)高度吻合。
我們來看看上圖，圖B、C、D是三種不同的五個(gè)水分子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的理論光譜，其中B代表二維結(jié)構(gòu)，C、D代表三維結(jié)構(gòu)，可以看到，三維結(jié)構(gòu)的理論光譜是有DDHB特征吸收峰的，而二維結(jié)構(gòu)則沒有DDHB。圖A是五個(gè)水分子團(tuán)簇的實(shí)驗(yàn)紅外線譜，可以看到明顯的DDHB特征吸收峰。
研究結(jié)果表明，在有限溫度條件下，五個(gè)水分子團(tuán)簇的二維和三維結(jié)構(gòu)可以共存，三維立體結(jié)構(gòu)的形成是引起紅外線譜顯著變化的根本原因。這突破了科研人員長(zhǎng)期以來對(duì)最小水滴是六個(gè)水分子團(tuán)簇的傳統(tǒng)認(rèn)知，為揭開水的微觀結(jié)構(gòu)演化的奧秘提供了新的思路。
5個(gè)水分子簇構(gòu)成最小的水滴。 摘自2020年10月30日《科學(xué)大院》
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