Vatten och dess interaktioner med andra ämnen är avgörande för människors liv. Dock, att förstå strukturen hos flytande vatten och dess vätebindande nätverk har varit en utmaning.

Enligt tidigare studier, alla syreatomer i vattentrimerer, tetramerer, och pentamerer med cykliska minimienergistrukturer existerar i ett tvådimensionellt (2-D) plan. I kontrast, vattenhexamerer har icke-cykliska tredimensionella (3-D) strukturer. Därför, vattenhexameren ansågs länge vara den minsta vattendroppen med ett 3D-vätebindande nätverk.

Denna förståelse har nu förändrats på grund av arbete av kinesiska forskare.

En forskargrupp ledd av professor Jiang Ling och professor Yang Xueming från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin, i samarbete med Prof. Li Jun från Tsinghua University, har nu avslöjat att den ickecykliska 3D-strukturen av vattenkluster börjar existera med pentamerer vid låga ändliga temperaturer.

Studien publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) den 15 juni.

Profs. Jiang och Yang utvecklade en metod för infraröd spektroskopi av neutrala kluster baserad på en avstämbar vakuum ultraviolett fri elektronlaser (VUV-FEL). Denna metod skapar ett nytt paradigm för studiet av vibrationsspektra för en mängd olika neutrala kluster som inte kunde studeras tidigare.

De mätte IR-spektra av storleksutvalda neutrala vattenkluster med hjälp av det VUV-FEL-baserade IR-schemat. Distinkta nya OH-sträckvibrationsgrunder observerade i 3500-3600 cm ^-1 regionen av (H ₂ O) ₅ tillhandahåller unika spektrala signaturer som indikerar bildningen av en icke-cyklisk pentamer.

Prof. Lis team genomförde kvantkemiska studier för att förstå de strukturella och spektrala förändringarna i dessa kluster. En tre-center två-elektron (3c2e) modell föreslogs för att beskriva bindningsnaturen hos det vätebindande nätverket av vattenkluster.

Resultaten avslöjade att den slående spektrala förändringen i OH-sträckområdet kan tillskrivas uppkomsten av 3D-vätebindande nätverk i pentamerer vid ändlig temperatur, vilket tyder på att vattenkluster uppvisar en ickecyklisk 3D-struktur som börjar med pentamerer, inte hexamerer, som tidigare trott.

Forskarnas resultat ger en konsekvent bild av den strukturella mångfalden av de vätebindande nätverken som är ansvariga för de viktigaste strukturella egenskaperna och egenskaperna hos vatten i den kondenserade fasen.