Forskere opdager nye strukturer i den mindste isterning

Nedfrysning af vand er en af ​​de mest almindelige processer. Imidlertid, Det har været en udfordring at forstå isens mikrostruktur og dens hydrogenbindingsnetværk.

Lavenergistrukturen af ​​en vandoktamer forudsiges at være nominelt kubisk, med otte tri-koordinerede vandmolekyler i de otte hjørner af terningen. Sådanne tri-koordinerede vandmolekyler er blevet identificeret på overfladen af ​​is.

Kun få gasfaseundersøgelser er blevet opnået til eksperimentel karakterisering af vandoktamer, og to næsten isoenergetiske strukturer med D _2d og S ₄ symmetri findes.

Denne forståelse har nu ændret sig. 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, afslørede sameksistensen af ​​fem kubiske isomerer i den mindste isterning, herunder to med chiralitet.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation den 28. oktober.

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

"Vi målte infrarøde spektre af størrelsesvalgt neutral vandoktamer ved hjælp af det VUV-FEL-baserede infrarøde skema, " sagde prof. Jiang.

"Vi observerede de forskellige træk i spektrene, og identificerede yderligere kubiske isomerer med C ₂ og C _jeg symmetri, som eksisterede sideløbende med det globale minimum D _2d og S ₄ isomerer ved eksperimentets endelige temperatur, " sagde prof. Yang.

Prof. Lis team udførte kvantekemiske undersøgelser for at forstå den elektroniske struktur af vandoktameren. De fandt ud af, at de relative energier af disse strukturer afspejler topologiafhængige, delokaliserede multicenter hydrogenbindingsinteraktioner.

Undersøgelsen viste, at selv med et fælles strukturelt motiv, graden af ​​samarbejdsvilje blandt hydrogenbindingsnetværket skabte et hierarki af forskellige arter. Det gav afgørende information til grundlæggende forståelse af skyens dannelsesprocesser, aerosol, og is, især under hurtig afkøling.

Deres resultater giver et benchmark for nøjagtig beskrivelse af vandets intermolekylære potentialer for at forstå de makroskopiske egenskaber af vand, og stimulere yderligere undersøgelse af mellemisstrukturer dannet i krystallisationsprocessen af ​​is.