Het bevriezen van water is een van de meest voorkomende processen. Echter, het begrijpen van de microstructuur van ijs en zijn waterstofbindingsnetwerken was een uitdaging.

Er wordt voorspeld dat de lage-energiestructuur van een wateroctameer nominaal kubisch is, met acht tri-gecoördineerde watermoleculen op de acht hoeken van de kubus. Dergelijke tri-gecoördineerde watermoleculen zijn geïdentificeerd aan het oppervlak van ijs.

Er zijn slechts enkele gasfase-onderzoeken uitgevoerd voor experimentele karakterisering van wateroctameer, en twee bijna iso-energetische structuren met D _2d en S ₄ symmetrie worden gevonden.

Dit inzicht is nu veranderd. 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, onthulde het naast elkaar bestaan ​​van vijf kubieke isomeren in het kleinste ijsblokje, waaronder twee met chiraliteit.

De studie is gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 28 oktober.

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

"We hebben infraroodspectra van een op maat geselecteerd neutraal water-octameer gemeten met behulp van het op VUV-FEL gebaseerde infraroodschema, " zei prof. Jiang.

"We observeerden de verschillende kenmerken in de spectra, en identificeerde extra kubieke isomeren met C ₂ en C _l symmetrie, die naast het globale minimum D . bestond _2d en S ₄ isomeren bij eindige temperatuur van het experiment, " zei prof. Yang.

Het team van prof. Li voerde kwantumchemische studies uit om de elektronische structuur van het wateroctameer te begrijpen. Ze ontdekten dat de relatieve energieën van deze structuren topologie-afhankelijk, gedelokaliseerde multi-center waterstofbinding interacties.

De studie toonde aan dat zelfs met een gemeenschappelijk structureel motief, de mate van samenwerking tussen het waterstofbindingsnetwerk creëerde een hiërarchie van verschillende soorten. Het leverde cruciale informatie op voor fundamenteel begrip van de vormingsprocessen van cloud, aërosol, en ijs, vooral bij snelle afkoeling.

Hun bevindingen bieden een maatstaf voor een nauwkeurige beschrijving van de intermoleculaire potentialen van water om de macroscopische eigenschappen van water te begrijpen, en stimuleren van verdere studie van intermediaire ijsstructuren gevormd in het kristallisatieproces van ijs.