水如何成冰？ 科學家發現最小冰立方新結構

11月2日，記者從中國科學院大連化物所獲悉，該所江淩研究員和楊學明院士團隊與清華大學李雋教授研究組合作，利用自主研製的基於大連相干光源的中性團簇紅外光譜實驗方法，發現了多個最小冰立方的新結構，這些最小冰立方是由8個水分子組成的水團簇，這為揭開冰的微觀結構和形成機制提供了新思路。相關成果于近日發表在《自然·通訊》上。

冰在我們的生活中是普遍存在的。然而，由於冰的結晶過程非常迅速並且難以控制，精確解析微冰結構和形成機制仍是一個巨大的科學難題。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。

江淩和楊學明團隊利用自主研製的中性團簇紅外光譜實驗裝置在研究中發現，中性水分子八聚體（H2O）8的紅外光譜呈現出冰的光譜特徵。此外，李雋研究組採用自編的TGMin程式結合高精度的量子化學理論方法，計算出水分子八聚體的各種穩定結構和紅外光譜，理論結果與實驗結果高度吻合，説明這些最小冰立方是由8個水分子組成的水團簇。

研究結果表明，水分子八聚體存在5個穩定的立方體結構，其中3個水立方體結構是首次被實驗觀測到。這些立方體結構中的水分子均以三配位的方式結合在立方體的頂角，這些特殊結構的優異穩定性源於大量的離域三中心二電子氫鍵作用。

該研究揭示了最小冰立方的多個新結構，為揭開冰的微觀結構和形成機制尤其是“速凍”提供了新思路，對於大氣科學和水科學等領域的研究具有重要的科學意義。