【水科技前沿】

中国科学家发现五个水分子就能构成最小水滴

自然界的水不是以单一水分子的形式存在的，水分子通过氢键作用聚合在一起，当它们结合在一起具有三维立体结构时，我们就可以称它为水滴。另外，不论它是否形成立体结构，我们都可以称聚合在一起的水分子为“水分子簇”，俗称“水团簇”。

水中的氢键是指一个水分子的氢原子（供体）与另一个水分子的氧原子（受体）之间形成的相互作用力，一个水分子本身既可以是氢键的供体，也可以是氢键的受体。正是由于这种力的存在，才会使不同的水分子聚合形成水团簇。

两个水分子可以构成最小的团簇，这是形成更大水团簇的基础，水团簇的尺寸变化可以用下式来表示

之前的研究表明，n=3~5的水团簇倾向于二维环形结构。

科学家们通过理论计算预测出了几种结构：

三聚水（3个水分子）的能量最低结构近似于等边三角形

四聚水的能量最低结构近似于方环形：

五聚水的能量最低结构同样为二维环形：

而六聚水的棱柱结构、笼型结构和书本型结构的能量相近，比环形结构稳定得多。棱柱结构和笼型结构结构的存在表明水团簇开始由二维环形结构向三维立体结构转变。

当n>6时，水团簇更倾向于形成三维结构，也就是说，三维水团簇的形成至少需要六个水分子，六个水分子构成了最小的水滴。2012年美国科学家Pate和同事使用宽带微波光谱法，成功鉴定出了六分子水团簇的三种异构体结构。

可是中国最新研究发现，原来5个水分子就可以构成三维结构了！

当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，该处波长的光就被吸收，分子由原来的基态能级跃迁到能量较高的能级上，在红外光谱图上就会显示对应的特征峰。

而二维的平面水分子簇和三维的立体水分子簇会具有不同的特征吸收峰，只要看到三维的特征吸收峰，就可以判断有水滴出现了。

现在，来自大连化物所的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(H2O)n(n = 3~6)的红外光谱，他们首次发现五个水分子团簇(H2O)5在3500至3600 波数区间出现显著的羟基伸缩振动。不同于二维平面水分子簇的单个氢供体构型水的OH伸缩振动(标记为SDHB)，(H2O)5显示出了具有双氢供体构型水的OH伸缩振动(标记为DDHB)，而这是具有三维立体水团簇结构的特征峰，证明(H2O)5形成了更紧密的非环状结构。

来自清华大学的李隽团队计算了水团簇的各种稳定结构和红外线谱，发现理论与实验高度吻合。

我们来看看上图，图B、C、D是三种不同的五个水分子团簇结构的理论光谱，其中B代表二维结构，C、D代表三维结构，可以看到，三维结构的理论光谱是有DDHB特征吸收峰的，而二维结构则没有DDHB。图A是五个水分子团簇的实验红外线谱，可以看到明显的DDHB特征吸收峰。

研究结果表明，在有限温度条件下，五个水分子团簇的二维和三维结构可以共存，三维立体结构的形成是引起红外线谱显著变化的根本原因。这突破了科研人员长期以来对最小水滴是六个水分子团簇的传统认知，为揭开水的微观结构演化的奥秘提供了新的思路。

5个水分子簇构成最小的水滴。   摘自2020年10月30日《科学大院》

苏州姚妙水工程科技联盟云南妙快妙乐科技有限公司  翔宇 供稿