L'acqua e le sue interazioni con altre sostanze sono essenziali per la vita umana. Però, comprendere la struttura dell'acqua liquida e le sue reti di legami a idrogeno è stata una sfida.

Secondo studi precedenti, tutti gli atomi di ossigeno nei trimeri d'acqua, tetrameri, e pentameri con strutture cicliche di minima energia esistono in un piano bidimensionale (2-D). In contrasto, esameri dell'acqua hanno strutture tridimensionali non cicliche (3-D). Perciò, l'esamero d'acqua è stato a lungo considerato la più piccola goccia d'acqua con una rete di legami idrogeno 3-D.

Questa comprensione è ora cambiata a causa del lavoro degli scienziati cinesi.

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Jiang Ling e dal Prof. Yang Xueming del Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) dell'Accademia Cinese delle Scienze, in collaborazione con il Prof. Li Jun della Tsinghua University, ha ora rivelato che la struttura 3-D non ciclica degli ammassi d'acqua inizia ad esistere con i pentameri a basse temperature finite.

Lo studio è stato pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) il 15 giugno.

prof. Jiang e Yang hanno sviluppato un metodo di spettroscopia infrarossa di cluster neutri basato su un laser a elettroni liberi ultravioletti sotto vuoto sintonizzabile (VUV-FEL). Questo metodo crea un nuovo paradigma per lo studio degli spettri vibrazionali di un'ampia varietà di ammassi neutri che non potevano essere studiati prima.

Hanno misurato gli spettri IR di cluster di acqua neutra selezionati per dimensione utilizzando lo schema IR basato su VUV-FEL. Nuovi fondamenti vibrazionali di allungamento OH distinti osservati nei 3500-3600 cm ^-1 regione di (H ₂ o) ₅ forniscono firme spettrali uniche che indicano la formazione di un pentamero non ciclico.

Il team del prof. Li ha condotto studi di chimica quantistica per comprendere i cambiamenti strutturali e spettrali in questi cluster. È stato proposto un modello a tre centri e due elettroni (3c2e) per descrivere la natura di legame della rete di legami idrogeno dei cluster d'acqua.

I risultati hanno rivelato che il sorprendente cambiamento spettrale nella regione di stiramento OH potrebbe essere attribuito alla comparsa di reti di legami idrogeno 3D nei pentameri a temperatura finita, suggerendo che i cluster d'acqua mostrano una struttura 3-D non ciclica che inizia con i pentameri, non esameri, come si pensava in precedenza.

I risultati degli scienziati forniscono un quadro coerente della diversità strutturale delle reti di legami idrogeno responsabili delle principali caratteristiche e proprietà strutturali dell'acqua nella fase condensata.