L'eau et ses interactions avec d'autres substances sont essentielles à la vie humaine. Cependant, comprendre la structure de l'eau liquide et de ses réseaux de liaisons hydrogène a été un défi.

Selon des études antérieures, tous les atomes d'oxygène dans les trimères d'eau, tétramères, et les pentamères avec des structures à énergie minimale cyclique existent dans un plan bidimensionnel (2-D). En revanche, les hexamères d'eau ont des structures tridimensionnelles non cycliques (3-D). Par conséquent, l'hexamère d'eau a longtemps été considéré comme la plus petite goutte d'eau avec un réseau de liaisons hydrogène en 3D.

Cette compréhension a maintenant changé grâce aux travaux des scientifiques chinois.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Jiang Ling et le professeur Yang Xueming du Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) de l'Académie chinoise des sciences, en collaboration avec le professeur Li Jun de l'Université Tsinghua, a maintenant révélé que la structure 3-D non cyclique des amas d'eau commence à exister avec des pentamères à basse température finie.

L'étude a été publiée dans Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ) le 15 juin.

Profs. Jiang et Yang ont développé une méthode de spectroscopie infrarouge d'amas neutres basée sur un laser à électrons libres ultraviolets sous vide accordable (VUV-FEL). Cette méthode crée un nouveau paradigme pour l'étude des spectres vibrationnels d'une grande variété d'amas neutres qui ne pouvaient pas être étudiés auparavant.

Ils ont mesuré les spectres IR d'amas d'eau neutre de taille sélectionnée à l'aide du schéma IR basé sur VUV-FEL. Nouveaux fondamentaux vibratoires distincts de l'étirement OH observés dans les 3500-3600 cm ^-1 région de (H 2 O) 5 fournissent des signatures spectrales uniques indiquant la formation d'un pentamère non cyclique.

L'équipe du professeur Li a mené des études de chimie quantique pour comprendre les changements structurels et spectraux dans ces amas. Un modèle à trois centres à deux électrons (3c2e) a été proposé pour décrire la nature de liaison du réseau de liaisons hydrogène des amas d'eau.

Les résultats ont révélé que le changement spectral frappant dans la région d'étirement OH pourrait être attribué à l'apparition de réseaux de liaisons hydrogène 3-D dans les pentamères à température finie, suggérant que les amas d'eau présentent une structure 3-D non cyclique commençant par des pentamères, pas des hexamères, comme on le pensait auparavant.

Les résultats des scientifiques fournissent une image cohérente de la diversité structurelle des réseaux de liaisons hydrogène qui sont responsables des principales caractéristiques structurelles et propriétés de l'eau dans la phase condensée.