【水科技前沿】
中國科學家發現五個水分子就能構成最小水滴
自然界的水不是以單一水分子的形式存在的，水分子通過氫鍵作用聚合在一起，當它們結合在一起具有三維立體結構時，我們就可以稱它為水滴。另外，不論它是否形成立體結構，我們都可以稱聚合在一起的水分子為“水分子簇”，俗稱“水團簇”。
水中的氫鍵是指一個水分子的氫原子（供體）與另一個水分子的氧原子（受體）之間形成的相互作用力，一個水分子本身既可以是氫鍵的供體，也可以是氫鍵的受體。正是由于這種力的存在，才會使不同的水分子聚合形成水團簇。
兩個水分子可以構成最小的團簇，這是形成更大水團簇的基礎，水團簇的尺寸變化可以用下式來表示
之前的研究表明，n=3~5的水團簇傾向于二維環形結構。
科學家們通過理論計算預測出了幾種結構：
三聚水（3個水分子）的能量最低結構近似于等邊三角形
四聚水的能量最低結構近似于方環形：
五聚水的能量最低結構同樣為二維環形：
而六聚水的棱柱結構、籠型結構和書本型結構的能量相近，比環形結構穩定得多。棱柱結構和籠型結構結構的存在表明水團簇開始由二維環形結構向三維立體結構轉變。
當n>6時，水團簇更傾向于形成三維結構，也就是說，三維水團簇的形成至少需要六個水分子，六個水分子構成了最小的水滴。2012年美國科學家Pate和同事使用寬帶微波光譜法，成功鑒定出了六分子水團簇的三種異構體結構。
可是中國最新研究發現，原來5個水分子就可以構成三維結構了！
當一束具有連續波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，該處波長的光就被吸收，分子由原來的基態能級躍遷到能量較高的能級上，在紅外光譜圖上就會顯示對應的特征峰。
而二維的平面水分子簇和三維的立體水分子簇會具有不同的特征吸收峰，只要看到三維的特征吸收峰，就可以判斷有水滴出現了。
現在，來自大連化物所的江凌和楊學明團隊利用自主研制的基于大連相干光源中性團簇紅外光譜實驗裝置，測定了質量選擇的中性水團簇(H2O)n(n = 3~6)的紅外光譜，他們首次發現五個水分子團簇(H2O)5在3500至3600 波數區間出現顯著的羥基伸縮振動。不同于二維平面水分子簇的單個氫供體構型水的OH伸縮振動(標記為SDHB)，(H2O)5顯示出了具有雙氫供體構型水的OH伸縮振動(標記為DDHB)，而這是具有三維立體水團簇結構的特征峰，證明(H2O)5形成了更緊密的非環狀結構。
來自清華大學的李雋團隊計算了水團簇的各種穩定結構和紅外線譜，發現理論與實驗高度吻合。
我們來看看上圖，圖B、C、D是三種不同的五個水分子團簇結構的理論光譜，其中B代表二維結構，C、D代表三維結構，可以看到，三維結構的理論光譜是有DDHB特征吸收峰的，而二維結構則沒有DDHB。圖A是五個水分子團簇的實驗紅外線譜，可以看到明顯的DDHB特征吸收峰。
研究結果表明，在有限溫度條件下，五個水分子團簇的二維和三維結構可以共存，三維立體結構的形成是引起紅外線譜顯著變化的根本原因。這突破了科研人員長期以來對最小水滴是六個水分子團簇的傳統認知，為揭開水的微觀結構演化的奧秘提供了新的思路。
5個水分子簇構成最小的水滴。 摘自2020年10月30日《科學大院》
蘇州姚妙水工程科技聯盟云南妙快妙樂科技有限公司 翔宇 供稿