近日，我所化学反应动力学全国重点实验室团簇光谱与动力学研究组（2506组）江凌研究员、李刚副研究员实验团队联合清华大学李隽院士理论团队，利用自主研制的基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验站，发现最小内嵌水笼由17个水分子组成，为揭开水的结构演化机制提供了新的科学依据。
水分子间的氢键不断断裂和生成，使水成为凝聚相中最为复杂的体系之一。《科学》杂志将“水的结构是什么”列为本世纪 125个最具挑战性的科学问题之一。液态水的微观构型难以捕捉，其结构表征长期面临挑战。团簇的几何结构往往预示着宏观物质的结构原理，通过精确控制分子数量，团簇科学为观察氢键网络结构的逐步演变提供了高分辨率的窗口。然而，中性物种因缺乏电荷而难以探测和质量选择，导致中性水团簇的精密光谱研究长期受限于尺寸选择的技术瓶颈。
为实现中性水团簇的精准探测与结构解析，江凌与李刚研究团队自主开发了基于大连相干光源的中性团簇红外光谱实验方法，实现了气相质量选择中性团簇的高灵敏红外光谱探测、结构表征和性能研究（J. Phys. Chem. Lett.，2020）。基于该方法，团队已实现了水二聚体到十一聚体(H2O)n（n = 2至11）的红外光谱研究（Proc. Natl. Acad. Sci.，2020；Nat. Commun.，2020；Cell Rep. Phys. Sci.，2022； J. Chem. Phys.， 2023；J. Phys. Chem. Lett.，2024；Nat. Commun.，2025），发现了一系列新奇结构：确定了五个水分子构成的最小水滴立体结构，揭示了水六聚体的“3+3”、水八聚体的“4+4”、水十聚体的“5+5”结构模型，以及水十一聚体的“5+1+5”“4+3+4”“5+5+1”三种结构模型。这些结果表明，小尺寸水环的堆积模式在水的氢键网络构建中起着重要作用。
“需要多少个水分子才能构成包封一个水分子的最小内嵌式笼状结构”是与液态水、疏水溶剂化及冰成核等密切相关的重要问题，至今仍未得到解答。近期，江凌和李刚团队利用基于大连相干光源的中性团簇实验站，测定了中性水分子十七聚体团簇（(H2O)17）的红外光谱，并结合李隽团队的高精度量子化学计算结果，确定了其三种最低能量结构模型（内嵌水笼、熔接五角柱和熔接立方体），其中内嵌水笼结构占主导地位。本工作证实，(H2O)17构成了最小的内嵌水分子笼，为理解液态水中第一配位层的氢键网络结构提供了重要见解。值得注意的是，该笼状结构的氧原子骨架构成了一个新的非经典多面体，包含4个四边形、4个五边形和2个六边形面，不同于柏拉图、阿基米德、约翰逊等传统多面体，对重新审视经典几何约束是否足以描述氢键物质所能形成结构提供了新思路。
相关研究成果以“Smallest Endohedral Water Cage Featuring a Nonclassic Polyhedron: Experimental Observation of (H2O)17”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的共同第一作者是我所2506组博士研究生闫文汇和中国科学院赣江创新研究院张阳阳副研究员。该工作得到国家自然科学基金、国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”基础科学中心项目、科技部科技创新2030-重大项目、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”等项目的资助。（文/图 闫文汇）
