Forskare upptäckte nya strukturer i den minsta isbiten. Kredit:Li Gang och Li Qinming
Frysning av vatten är en av de vanligaste processerna. Dock, att förstå mikrostrukturen hos is och dess vätebindande nätverk har varit en utmaning.
Lågenergistrukturen hos en vattenoktamer förutspås vara nominellt kubisk, med åtta tri-koordinerade vattenmolekyler vid de åtta hörnen av kuben. Sådana tri-koordinerade vattenmolekyler har identifierats på ytan av is.
Endast ett fåtal gasfasstudier har uppnåtts för experimentell karakterisering av vattenoktamer, och två nästan isoenergetiska strukturer med D 2d och S 4 symmetri hittas.
Denna förståelse har nu förändrats. 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, avslöjade samexistensen av fem kubiska isomerer i den minsta isbiten, inklusive två med chiralitet.
Studien publicerades i Naturkommunikation den 28 oktober.
Prof. Jiang och Prof. Yang utvecklade en metod för infraröd spektroskopi av neutrala kluster baserad på en avstämbar vakuum ultraviolett fri elektronlaser (VUV-FEL). Denna metod skapade ett nytt paradigm för studiet av vibrationsspektra för en mängd olika neutrala kluster som inte kunde studeras tidigare.
"Vi mätte infraröda spektra av storleksvald neutral vattenoktamer med hjälp av det VUV-FEL-baserade infraröda schemat, " sa prof. Jiang.
"Vi observerade de distinkta dragen i spektrat, och identifierade ytterligare kubiska isomerer med C 2 och C i symmetri, som samexisterade med det globala minimum D 2d och S 4 isomerer vid experimentets ändliga temperatur, " sa prof. Yang.
Prof. Lis team genomförde kvantkemiska studier för att förstå den elektroniska strukturen hos vattenoktameren. De fann att de relativa energierna för dessa strukturer återspeglar topologiberoende, delokaliserade multicentervätebindningsinteraktioner.
Studien visade att även med ett gemensamt strukturellt motiv, graden av samverkan mellan det vätebindande nätverket skapade en hierarki av distinkta arter. Det gav viktig information för grundläggande förståelse av molnets bildningsprocesser, aerosol, och is, speciellt under snabb kylning.
Deras resultat ger ett riktmärke för en korrekt beskrivning av vattnets intermolekylära potentialer för att förstå vattens makroskopiska egenskaper, och stimulera ytterligare studier av mellanisstrukturer som bildas i kristallisationsprocessen av is.
