一滴水里最少有幾個水分子？5個還是6個？

作者：沈俞翔、江凌（中國科學院大連化學物理研究所）

文章來源于科學大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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秋高氣爽，在這么干燥的季節(jié)里，補水可以說是非常重要了。

（圖片來源：veer圖庫）

談到補水，你會不會腦中閃過一個念頭，我這一瓶喝下去了多少水分子？

一滴水里又有多少水分子呢？

別說，還真有科學家在研究這個問題。

近日，大連化學物理研究所的科學家和清華大學合作，結(jié)合光譜實驗和理論計算，證明了五個水分子就可以構(gòu)成最小水滴，而不是之前認為的六個。

什么，感到不可思議？別急，我們一起來看一看。

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(jié)合在一起具有三維立體結(jié)構(gòu)時，我們就可以稱它為水滴。另外，不論它是否形成立體結(jié)構(gòu)，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(gòu)成最小的團簇，這是形成更大水團簇的基礎(chǔ)，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(huán)形結(jié)構(gòu)。

科學家們通過理論計算預測出了幾種結(jié)構(gòu)：

三聚水（3個水分子）的能量最低結(jié)構(gòu)近似于等邊三角形：

四聚水的能量最低結(jié)構(gòu)近似于方環(huán)形：

五聚水的能量最低結(jié)構(gòu)同樣為二維環(huán)形：

而六聚水的棱柱結(jié)構(gòu)、籠型結(jié)構(gòu)和書本型結(jié)構(gòu)的能量相近，比環(huán)形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定得多。棱柱結(jié)構(gòu)和籠型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)的存在表明水團簇開始由二維環(huán)形結(jié)構(gòu)向三維立體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

當n>6時，水團簇更傾向于形成三維結(jié)構(gòu)，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(gòu)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(gòu)體結(jié)構(gòu)。

（圖片來源：veer圖庫）

可是最新研究發(fā)現(xiàn)，原來5個水分子就可以構(gòu)成三維結(jié)構(gòu)了！

要看懂這個結(jié)果，首先得了解一下“紅外特征吸收峰”。

各種基團在不同條件下都有自己特定的紅外特征吸收峰，就像人的指紋一樣，具有唯一性。

當一束具有連續(xù)波長的紅外光通過物質(zhì)，物質(zhì)分子中某個基團的振動頻率或轉(zhuǎn)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(tài)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(xiàn)了。

這個方法聽起來不難，為什么一直沒有實現(xiàn)？

之前研究中性水團簇結(jié)構(gòu)的實驗方法主要有微波光譜、遠紅外振動轉(zhuǎn)動隧道光譜和寬帶轉(zhuǎn)動光譜等，而這些方法缺乏質(zhì)量選擇，所能研究的團簇尺寸范圍有限，無法將由少于六個水分子構(gòu)成的水團簇相互之間進行分離。

也就是說，如果現(xiàn)在有一個三聚水的水團簇和一個五聚水的水團簇，我們是不能將他們分開的，也就無法判定，紅外光譜的變化到底是由于三聚水還是五聚水引起的。

現(xiàn)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（劃重點！后面會詳細講），測定了質(zhì)量選擇的中性水團簇(H2O)n(n = 3~6)的紅外光譜，他們首次發(fā)現(xiàn)五個水分子團簇(H2O)5在3500至3600波數(shù)區(qū)間出現(xiàn)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(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的特征峰，證明(H2O)5形成了更緊密的非環(huán)狀結(jié)構(gòu)。

來自清華大學的李雋團隊計算了水團簇的各種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和紅外光譜，發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)的理論光譜，其中B代表二維結(jié)構(gòu)，C、D代表三維結(jié)構(gòu)，可以看到，三維結(jié)構(gòu)的理論光譜是有DDHB特征吸收峰的，而二維結(jié)構(gòu)則沒有DDHB。圖A是五個水分子團簇的實驗紅外光譜，可以看到明顯的DDHB特征吸收峰。

研究結(jié)果表明，在有限溫度條件下(H2O)5的二維和三維結(jié)構(gòu)可以共存，三維立體結(jié)構(gòu)的形成是引起紅外光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(tǒng)認知，為揭開水的微觀結(jié)構(gòu)演化的奧秘提供了新的思路。

工欲善其事，必先利其器。這一成果的發(fā)現(xiàn)可離不開一位大“功臣”——大連相干光源。

和一般的光源相比，它具有高脈沖能量，可進行連續(xù)調(diào)節(jié)波長等優(yōu)點?；诖筮B光源，研究團隊自主設計開發(fā)了高亮度可調(diào)諧極紫外自由電子激光（VUV-FEL），通過這個自由電子激光裝置發(fā)出的化學激光，實現(xiàn)了寬范圍的中性化合物電離檢測。

之前說過水團簇有不同的尺寸(H2O)n (n = 3~6)，到底科學家是怎么確定，形成水滴時n的值就是5的呢？

得到這個結(jié)果需要以下6步：

1. 科學家首先將高壓脈沖通過氦氣中超聲擴散的水蒸氣，產(chǎn)生很多大小不等的中性水團簇，可以用(H2O)n來表示，用大連相干光源電離這些水團簇，記錄它們的質(zhì)量。

2. 加入紅外激光，這時候，某些水團簇就會吸收紅外激光，發(fā)生部分分解，也就是說，這部分水團簇的質(zhì)量會減?。ㄟ€記得上面說過的三維結(jié)構(gòu)特征吸收峰嗎？）。

3. 30ns后加入大連光源發(fā)出的化學激光。這時候，眾多水團簇中沒有被分解的部分會被化學激光軟電離，打掉電子，變成帶正電的團簇。

4. 這些水團簇通過反射式飛行時間質(zhì)譜儀（TOF-MS），在電場當中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，再進行質(zhì)量分析。

5. 由于可以進行精確的質(zhì)量選擇，科學家們可以分別分析不同n值水團簇的質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，n=5時，水團簇發(fā)生了吸收。(H2O)n 中n的值由此確定！

6. 由此證明了五個水分子構(gòu)成了最小的三維立體水團簇。

（沒錯，我就是中性團簇紅外光譜實驗站?。?/p>

那我們?yōu)槭裁匆芯克肿邮窃鯓訕?gòu)成水滴的呢？

雖然已經(jīng)經(jīng)過一百多年的研究，但人們對水的結(jié)構(gòu)本質(zhì)仍然知之甚少，水的結(jié)構(gòu)問題也被《Science》雜志列為全世界最前沿的125個科學問題之一。

了解氣溶膠的生長機理是控制大氣污染問題的前提。通常，分子團簇最初是在污染物分子和水分子之間形成的，然后生長形成較大的氣溶膠顆粒。研究水團簇的形成機理有助于研究氣溶膠顆粒的形成機理。

水團簇的弱相互作用普遍存在于生物超分子體系中，如蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)主要靠氫鍵作用形成穩(wěn)定的構(gòu)型，高水平的水分子簇研究可望為深層次揭示化學、生命科學和信息科學等領(lǐng)域的本質(zhì)問題提供有力工具。

這一研究成果發(fā)表在了《美國科學院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences，USA）上。

好了，碼了這么多字，小編要去補水了，哦不對，是去補水團簇了~