近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员江凌、副研究员李刚实验团队联合清华大学教授、中国科学院院士李隽理论团队，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站，发现最小内嵌水笼由17个水分子组成，为揭开水的结构演化机制提供了新的科学依据。相关成果发表在《美国化学会志》。

大连相干光源示意图。大连化物所供图

水分子间的氢键不断断裂和生成，使水成为凝聚相中最为复杂的体系之一。《科学》杂志将“水的结构是什么”列为本世纪125个最具挑战性的科学问题之一。液态水的微观构型难以捕捉，其结构表征长期面临挑战。团簇的几何结构往往预示着宏观物质的结构原理，通过精确控制分子数量，团簇科学为观察氢键网络结构的逐步演变提供了高分辨率的窗口。然而，中性物种因缺乏电荷而难以探测和质量选择，导致中性水团簇的精密光谱研究长期受限于尺寸选择的技术瓶颈。

为实现中性水团簇的精准探测与结构解析，江凌与李刚研究团队自主开发了基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，实现了气相质量选择中性团簇的高灵敏红外光谱探测、结构表征和性能研究。近期，江凌和李刚团队利用基于大连相干光源的中性团簇实验站，测定了中性水分子十七聚体团簇（(H2O)17）的红外光谱，并结合李隽团队的高精度量子化学计算结果，确定了其三种最低能量结构模型，其中内嵌水笼结构占主导地位。本工作证实，(H2O)17构成了最小的内嵌水分子笼，为理解液态水中第一配位层的氢键网络结构提供了重要见解。

该笼状结构的氧原子骨架构成了一个新的非经典多面体，包含4个四边形、4个五边形和2个六边形面，不同于柏拉图、阿基米德、约翰逊等传统多面体，对重新审视经典几何约束是否足以描述氢键物质所能形成结构提供了新思路。

相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.6c16309