近日，我所分子反应动力学国家重点实验室、大连光源科学研究室江凌研究员和杨学明院士团队与清华大学李隽教授团队合作，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，在类冰中性水团簇七聚体中发现了多个棱柱状和笼状结构，为揭开液态水至微冰的氢键网络演化机制提供了新思路。
液态水和冰之间的互相转换是一种普遍存在的自然现象。然而，由于液态水和冰内部的动态氢键变化非常迅速且难以控制，精确解析液态水到冰的形成机制仍是一个科学难题。研究水分子如何一步步成长为水分子团簇、液态水和冰的过程，对理解冰的微观结构和形成机制至关重要。红外光谱是研究物质结构的最有效方法之一。与离子团簇不同，中性水团簇由于缺乏电荷、难于探测而实验研究甚少，因此，实现质量选择的中性水团簇的红外光谱研究是科学家们长期以来的梦想。
为实现对中性水团簇的精准探测和结构解析，江凌和杨学明团队近年来在相关实验技术发展上取得了突破，自主研发了基于大连极紫外自由电子激光（大连相干光源）的中性团簇红外光谱实验方法，首次实现了质量选择中性水团簇的高灵敏探测及红外光谱的研究（J. Phys. Chem. Lett.，2020），利用该方法，发现了最小水滴立体结构是由五个水分子团簇组成（Proc. Natl. Acad. Sci.，2020），发现了最小分子冰立方的多个新结构，揭示了水团簇的成键特征（Nat. Commun.，2020）。这一独特的实验方法也为开展各类中性团簇红外谱学和结构的研究打开了大门。
水分子七聚体(H2O)7被认为是类冰立方体结构的无定型前驱体。本工作中，江凌和杨学明团队利用自主研制的中性团簇红外光谱实验装置，测定了质量选择中性(H2O)7的红外光谱呈现出复杂的光谱特征。李隽团队采用高精度的量子化学理论方法，计算了(H2O)7的各种稳定结构和红外光谱，理论和实验结果高度吻合。研究表明，(H2O)7在特定温度下存在多个能量相近的结构，它们主要分为棱柱状和笼状两类结构，其中棱柱状结构对红外谱图贡献较大，该类特殊结构的复杂性源于棱柱(H2O)6氢键生长和立方体(H2O)8氢键断裂之间的结构模型竞争。该工作揭示了液态水至冰转换过程中的微观结构，对于大气科学和水科学等领域的研究具有重要的科学意义。
相关研究成果以“Infrared Spectroscopic Signature of the Structural Diversity of the Water Heptamer”为题，发表在Cell Reports Physical Science上。该工作得到国家自然科学基金、中科院B类先导专项“能源化学转化的本质与调控”、我所大连相干光源专项基金等项目的资助。（文/图 李刚、王冲）
