Water en de interacties met andere stoffen zijn essentieel voor het menselijk leven. Echter, het begrijpen van de structuur van vloeibaar water en zijn waterstofbindingsnetwerken was een uitdaging.

Volgens eerdere studies, alle zuurstofatomen in watertrimeren, tetrameren, en pentameren met cyclische minimum-energiestructuren bestaan ​​in een tweedimensionaal (2-D) vlak. In tegenstelling tot, waterhexameren hebben niet-cyclische driedimensionale (3-D) structuren. Daarom, de waterhexameer werd lange tijd beschouwd als de kleinste waterdruppel met een 3D-waterstofbindingsnetwerk.

Dit begrip is nu veranderd door werk van Chinese wetenschappers.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Jiang Ling en Prof. Yang Xueming van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen, in samenwerking met Prof. Li Jun van Tsinghua University, heeft nu onthuld dat de niet-cyclische 3D-structuur van waterclusters begint te bestaan ​​met pentameren bij lage eindige temperaturen.

De studie is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) op 15 juni.

profs. Jiang en Yang ontwikkelden een methode voor infraroodspectroscopie van neutrale clusters op basis van een afstembare vacuüm ultraviolette vrije elektronenlaser (VUV-FEL). Deze methode creëert een nieuw paradigma voor de studie van trillingsspectra van een grote verscheidenheid aan neutrale clusters die voorheen niet konden worden bestudeerd.

Ze maten IR-spectra van op grootte geselecteerde neutrale waterclusters met behulp van het op VUV-FEL gebaseerde IR-schema. Duidelijke nieuwe OH-stretch vibratie-fundamentals waargenomen in de 3500-3600 cm ^-1 regio van (H ₂ O) ₅ bieden unieke spectrale handtekeningen die de vorming van een niet-cyclisch pentameer aangeven.

Het team van prof. Li voerde kwantumchemische studies uit om de structurele en spectrale veranderingen in deze clusters te begrijpen. Er werd een model met drie centra met twee elektronen (3c2e) voorgesteld om de bindende aard van het waterstofbindende netwerk van waterclusters te beschrijven.

De resultaten onthulden dat de opvallende spectrale verandering in het OH-rekgebied kon worden toegeschreven aan het verschijnen van 3D-waterstofbindingsnetwerken in pentameren bij eindige temperatuur, wat suggereert dat waterclusters een niet-cyclische 3D-structuur vertonen die begint met pentameren, geen hexameren, zoals eerder gedacht.

De bevindingen van de wetenschappers geven een consistent beeld van de structurele diversiteit van de waterstofbindingsnetwerken die verantwoordelijk zijn voor de belangrijkste structurele kenmerken en eigenschappen van water in de gecondenseerde fase.