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Nature子刊:大连光源照透最小冰立方

冰在自然界普遍存在。然而,由于冰的结晶过程非常迅速并且难以控制,精确解析微冰结构和形成机制仍是一个巨大的科学难题。研究水分子如何一步步成长为水分子团簇、液态水和冰的过程,对理解冰的微观结构和形成机制至关重要。红外光谱是研究物质结构的最有效方法之一。然而,与离子团簇不同,中性水团簇由于缺乏电荷、难于探测而实验研究甚少,因此,实现质量选择的中性水团簇的红外光谱研究是科学家们长期以来的梦想。


为实现对中性水团簇的精准探测和结构解析,中国科学院大连化学物理研究所(简称大连化物所)分子反应动力学国家重点实验室、大连光源科学研究室江凌研究员和杨学明院士团队,近年来在相关实验技术发展上取得了突破,自主研发了基于大连极紫外自由电子激光(大连相干光源)的中性团簇红外光谱实验方法,首次实现了质量选择中性水团簇的高灵敏探测及红外光谱的研究(J. Phys. Chem. Lett., 2020, 11, 851–855),发现了最小的水滴是由五个水分子组成的水团簇,突破了人们长期以来对最小水滴是六个水分子团簇的认知,为揭开水的微观结构演化的奥秘提供了新的思路(PNAS, 2020, 117, 15423)。这一独特的实验方法也为开展各类中性团簇红外谱学和结构的研究打开了大门。


近期,江凌和杨学明团队利用自主研制的中性团簇红外光谱实验装置,测定了质量选择中性水分子八聚体(H2O)8的红外光谱,呈现出冰的光谱特征。清华大学李隽研究组采用自编的TGMin程序结合高精度的量子化学理论方法,计算了水分子八聚体的各种稳定结构和红外光谱,理论与实验高度吻合(图1)。

图1. (H2O)8的实验与理论红外光谱比较


研究结果表明,水分子八聚体存在5个稳定的立方体结构,其中3个水立方体结构是首次被实验所观测到(图2,isomers III、IV和V)。这些立方体结构中的水分子均以三配位的方式结合在立方体的顶角,这些特殊结构的优异稳定性源于大量的离域三中心二电子(3 center-2 electron)氢键作用。更有趣的是,在冰的表面确实存在着这种三配位的水分子团簇。该工作揭示了最小冰立方的多个新结构,为揭开冰的微观结构和形成机制(尤其是速冻)提供了新的思路,对于大气科学和水科学等领域的研究具有重要的科学意义。这项成果发表于(Nat. Commun., 2020, 11, 5449)上,李刚博士、博士研究生张阳阳李钦明为共同第一作者。

图2. (H2O)8的几何结构(理论计算方法是MP2/aug-cc-pVDZ,相对能量单位是kcal/mol)。


由于大连相干光源的波长范围涵盖了绝大多数中性分子和团簇的第一电离势,因此,基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法未来有望应用到大气雾霾、环境、能源催化以及生物分子等体系的研究,并开辟新的研究领域。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Infrared spectroscopic study of hydrogen bonding topologies in the smallest ice cube

Gang Li, Yang-Yang Zhang, Qinming Li, Chong Wang, Yong Yu, Bingbing Zhang, Han-Shi Hu, Weiqing Zhang, Dongxu Dai, Guorong Wu, Dong H. Zhang, Jun Li, Xueming Yang, Ling Jiang

Nat. Commun., 2020, 11, 5449, DOI: 10.1038/s41467-020-19226-6


通讯作者介绍


江凌,研究员,博士生导师,现任中科院大连化物所团簇光谱与动力学研究组组长。2003年于南开大学硕士毕业,2007年于日本神户大学博士毕业。2007-2009年在日本产业技术综合研究所做日本学术振兴会博士后(JSPS Fellow),2009-2011年在德国Fritz-Haber研究所做洪堡学者(Humboldt Fellow)。2011年8月到中科院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室工作,2012年获得中科院人才项目A类择优支持。先后主持国家自然科学基金面上项目、重大科研仪器设备研制专项子课题、中科院人才项目、大连光源专项基金、大连化物所创新基金等。曾获日本文部省奖学金、日本丸文研究交流财团奖、日本分子科学会杰出报告奖等。


研究工作是发展团簇红外光谱实验方法,研究雾霾形成机理和纳米团簇催化机制。已在Science、PNAS、Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.等期刊发表论文120余篇。


江凌

https://www.x-mol.com/university/faculty/22678

课题组链接

http://www.cluster.dicp.ac.cn


李隽,清华大学化学系教授,理论化学中心主任。1992年在中国科学院福建物质结构研究所获博士学位,师从卢嘉锡院士。1994-1997年在德国和美国从事博士后研究工作,1997-2007年先后担任Ohio州立大学Research Scientist、美国西北太平洋国家实验室Senior Research Scientist和Chief Scientist。2007年全职回国,现为教育部长江学者特聘教授,国家杰出青年基金获得者。2010年当选为美国科学促进会会士(AAAS Fellow)。


主要从事重元素量子化学、计算催化化学和理论团簇化学。目前在SCI杂志上发表论文 390 余篇, 其中在国际顶级杂志(Science, PNAS, Nature 及其子刊, JACS,Angew. Chem., Chem. Sci.,Acc. Chem. Res.)上发表论文130篇。


李隽

https://www.x-mol.com/university/faculty/12005

课题组链接

http://www.junlilab.org


杨学明,中国科学院院士,博士生导师,973项目首席科学家,国家自然科学基金科学中心项目、重大科研仪器设备研制专项、重点项目、以及创新群体等项目主持者。曾获国际自由基会议Broida 奖(2001年),海外华人物理协会亚洲成就奖(2002年),中科院杰出科学成就奖(2007年),何梁何利基金科技进步奖(2008年),周光召基金会杰出青年基础研究奖(2008年),国家自然科学二等奖(2008年和2014年),长江学者成就奖(2009年),陈嘉庚化学科学奖 (2010年),德国洪堡研究奖(2011年),全国创新争先奖(2017年)。2006年当选美国物理学会会士,2013年入选首批“万人计划”科技创新领军人才。研究成果入选2006年和2007年中国十大科技进展新闻。现任国家自然科学基金委员会化学科学部主任、美国科学促进会Science Advances杂志副主编、美国化学会JPC杂志高级编辑、CJCP杂志主编和International Reviews in Physical Chemistry、Chemical Society Reviews、PCCP、Chem. Phys. Lett.等杂志编委。


长期从事气相与表面分子反应动力学研究,利用自行研制和原创的一系列国际领先的科学仪器,在化学反应动力学研究方面取得了系列性的、备受国际瞩目的重要研究成果。在开展相关前沿基础研究的同时,高度重视仪器和光源技术的研发。发表论文300余篇,其中Science 13篇,Nature 1 篇,PNAS 6篇,Phys. Rev. Lett. 8 篇, J. Am. Chem. Soc. 6篇。应邀为Ann. Rev. Phys. Chem., Acc. Chem. Res. 撰写综述。


研究室链接:

http://www.sklmr.dicp.ac.cn/index.htm


(文/图:李刚,张阳阳,李钦明)


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