近日，中國科學院大連化學物理研究所分子反應動力學國家重點實驗室、大連光源科學研究室研究員江凌和院士楊學明團隊與清華大學教授李雋團隊合作，利用自主研制的基于大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，在類冰中性水團簇七聚體中發現了多個棱柱狀和籠狀結構，為揭開液態水至微冰的氫鍵網絡演化機制提供了新思路。

　　液態水和冰之間的互相轉換是一種普遍存在的自然現象。然而，由于液態水和冰內部的動態氫鍵變化非常迅速且難以控制，精確解析液態水到冰的形成機制仍是一個科學難題。研究水分子如何一步步成長為水分子團簇、液態水和冰的過程，對理解冰的微觀結構和形成機制至關重要。紅外光譜是研究物質結構的最有效方法之一。與離子團簇不同，中性水團簇由于缺乏電荷、難于探測而實驗研究甚少，因此，實現質量選擇的中性水團簇的紅外光譜研究是科學家們長期以來的夢想。

　　為實現對中性水團簇的精準探測和結構解析，江凌和楊學明團隊近年來在相關實驗技術發展上取得了突破，自主研發了基于大連極紫外自由電子激光（大連相干光源）的中性團簇紅外光譜實驗方法，首次實現了質量選擇中性水團簇的高靈敏探測及紅外光譜的研究（J. Phys. Chem. Lett.，2020），利用該方法，發現了最小水滴立體結構是由五個水分子團簇組成（Proc. Natl. Acad. Sci.，2020），發現了最小分子冰立方的多個新結構，揭示了水團簇的成鍵特征（Nat. Commun.，2020）。這一獨特的實驗方法也為開展各類中性團簇紅外譜學和結構的研究打開了大門。

大連化物所利用大連相干光源發現類冰團簇的結構復雜性

　　水分子七聚體(H₂O)₇被認為是類冰立方體結構的無定型前驅體。本工作中，江凌和楊學明團隊利用自主研制的中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定了質量選擇中性(H₂O)₇的紅外光譜呈現出復雜的光譜特征。李雋團隊采用高精度的量子化學理論方法，計算了(H₂O)₇的各種穩定結構和紅外光譜，理論和實驗結果高度吻合。研究表明，(H₂O)₇在特定溫度下存在多個能量相近的結構，它們主要分為棱柱狀和籠狀兩類結構，其中棱柱狀結構對紅外譜圖貢獻較大，該類特殊結構的復雜性源于棱柱(H₂O)₆氫鍵生長和立方體(H₂O)₈氫鍵斷裂之間的結構模型競爭。該工作揭示了液態水至冰轉換過程中的微觀結構，對于大氣科學和水科學等領域的研究具有重要的科學意義。

　　相關研究成果以“Infrared Spectroscopic Signature of the Structural Diversity of the Water Heptamer”為題，發表在Cell Reports Physical Science上。該工作得到國家自然科學基金、中科院B類先導專項“能源化學轉化的本質與調控”、科學挑戰項目、大連相干光源專項基金等項目的資助。

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100748