La congélation de l'eau est l'un des processus les plus courants. Cependant, comprendre la microstructure de la glace et ses réseaux de liaisons hydrogène a été un défi.

La structure à basse énergie d'un octamère d'eau est prévue pour être nominalement cubique, avec huit molécules d'eau tri-coordonnées aux huit coins du cube. De telles molécules d'eau tri-coordonnées ont été identifiées à la surface de la glace.

Seules quelques études en phase gazeuse ont été réalisées pour la caractérisation expérimentale de l'octamère d'eau, et deux structures presque isoénergétiques avec D 2d et S 4 la symétrie est trouvée.

Cette compréhension a maintenant changé. 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 révélé la coexistence de cinq isomères cubiques dans le plus petit glaçon, dont deux avec chiralité.

L'étude a été publiée dans Communication Nature le 28 octobre.

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

"Nous avons mesuré les spectres infrarouges d'un octamère d'eau neutre de taille sélectionnée à l'aide du schéma infrarouge basé sur VUV-FEL, " a déclaré le professeur Jiang.

"Nous avons observé les caractéristiques distinctes dans les spectres, et identifié des isomères cubiques supplémentaires avec C 2 et C je symétrie, qui coexistait avec le global-minimum D 2d et S 4 isomères à température finie de l'expérience, " a déclaré le professeur Yang.

L'équipe du professeur Li a mené des études de chimie quantique pour comprendre la structure électronique de l'octamère d'eau. Ils ont constaté que les énergies relatives de ces structures reflètent la topologie dépendante, interactions multicentriques délocalisées de liaisons hydrogène.

L'étude a démontré que même avec un motif structurel commun, le degré de coopérativité entre le réseau de liaisons hydrogène a créé une hiérarchie d'espèces distinctes. Il a fourni des informations cruciales pour la compréhension fondamentale des processus de formation des nuages, aérosol, et de la glace, surtout sous refroidissement rapide.

Leurs résultats fournissent une référence pour une description précise des potentiels intermoléculaires de l'eau pour comprendre les propriétés macroscopiques de l'eau, et stimuler une étude plus approfondie des structures de glace intermédiaires formées dans le processus de cristallisation de la glace.