Forskere opdager tredimensionel struktur i mindre vanddråber

Vand og dets vekselvirkninger med andre stoffer er afgørende for menneskers liv. Imidlertid, at forstå strukturen af ​​flydende vand og dets hydrogenbindingsnetværk har været en udfordring.

Ifølge tidligere undersøgelser, alle iltatomer i vandtrimere, tetramere, og pentamerer med cykliske minimumsenergistrukturer eksisterer i et todimensionalt (2-D) plan. I modsætning, vandhexamerer har ikke-cykliske tredimensionelle (3-D) strukturer. Derfor, vandhexameren blev længe anset for at være den mindste vanddråbe med et 3-D hydrogenbindingsnetværk.

Denne forståelse har nu ændret sig på grund af arbejde fra kinesiske videnskabsmænd.

Et forskerhold ledet af prof. Jiang Ling og prof. Yang Xueming fra Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) under det kinesiske videnskabsakademi, i samarbejde med prof. Li Jun fra Tsinghua University, har nu afsløret, at den ikke-cykliske 3-D struktur af vandklynger begynder at eksistere med pentamerer ved lave endelige temperaturer.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) den 15. juni.

Profs. Jiang og Yang udviklede en metode til infrarød spektroskopi af neutrale klynger baseret på en afstembar vakuum ultraviolet fri elektronlaser (VUV-FEL). Denne metode skaber et nyt paradigme for studiet af vibrationsspektre for en lang række neutrale klynger, som ikke kunne studeres før.

De målte IR-spektre af størrelsesudvalgte neutrale vandklynger ved hjælp af det VUV-FEL-baserede IR-skema. Distinkte nye OH-stræk vibrationsfundamentaler observeret i 3500-3600 cm ^-1 region af (H ₂ O) ₅ tilvejebringe unikke spektrale signaturer, der indikerer dannelsen af ​​en ikke-cyklisk pentamer.

Prof. Lis team udførte kvantekemiske undersøgelser for at forstå de strukturelle og spektrale ændringer i disse klynger. En tre-center to-elektron (3c2e) model blev foreslået til at beskrive bindingskarakteren af ​​det hydrogenbindingsnetværk af vandklynger.

Resultaterne afslørede, at den slående spektrale ændring i OH-strækningsregionen kunne tilskrives udseendet af 3-D hydrogenbindingsnetværk i pentamerer ved endelig temperatur, tyder på, at vandklynger udviser en ikke-cyklisk 3D-struktur, der begynder med pentamerer, ikke hexamerer, som tidligere antaget.

Forskernes resultater giver et konsistent billede af den strukturelle mangfoldighed af de hydrogenbindingsnetværk, der er ansvarlige for de vigtigste strukturelle træk og egenskaber ved vand i den kondenserede fase.