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结构与动力学

结构与动力学

制作冰需要多少水分子?

21 Sep 2012
具有不同结构的三个不同大小的集群

制作最小的冰晶需要多少水分子?大约275年:这是德国和捷克共和国的研究人员的结论,他们已经开发出了首个探测大分子水分子的技术。他们的发现可能有助于阐明大气中高冰的形成。

水簇是由分子间氢键保持在一起的水分子的集合体。到目前为止,大多数研究都集中在12个小型集群上。 分子或更少的分子,这些物体的结构与大块冰几乎没有相似之处。在过去的几年中,日本的研究人员开发了一种基于光谱学的技术来探测多达50个水簇 分子。但是,对包含100个簇的详细结构分析–1000 认为发生冰结晶的分子超出了这些研究的范围。

分析大型水团簇的主要困难是确切地知道它们包含多少分子。这是通过质谱法完成的,质谱法涉及通过用高能辐射将团簇击中而使团簇电离,从而将细小团簇粉碎成碎片。此外,研究人员宁愿研究中性水簇,也不愿研究带电水簇,因为这些簇涉及自然界中大多数冰晶化过程。

掺杂水团簇

现在,包括Institut f的Thomas Zeuch在内的研究人员ür物理化学ö德国廷根已经找到一种分析包含数百个分子的中性水团簇的方法。他们的成功在于两个巧妙的技巧。首先,每个水簇中都掺杂有一个钠原子。使用这种高反应性金属意味着掺杂的水团簇比纯的团簇更容易离子化,并确保电子从钠原子而不是中性的水团簇中释放出来。

第二,在被电离之前,掺杂团簇被红外辐射激发。这会增加其温度,从而以进一步降低其电离电位的方式改变其结构。然后可以用390电离团簇 紫外激光,能量低,可以避免碎裂。这些离子水簇的大小是使用飞行时间(TOF)质谱法确定的。

然后,为了探究其结构,计算了水团的红外光谱。波数在2800和3800之间的红外辐射  cm–1 对应于氧气的振动(拉伸)频率–氢键。该振动光谱学提供了对水分子在簇内部的排列的洞察力。例如,已知结晶冰在3200附近的波数处具有最大吸收  cm–1,而无定形冰和液态水的最大值约为3400 cm–1.

把水变成冰

Zeuch及其同事获得了从85到475范围内的团簇大小的红外光谱 分子。正如预期的那样,随着团簇大小的增加,频谱最大值向较低的波数转移。从3400过渡到3200 cm–1 始于275年左右 分子,第一个结晶冰出现在簇的中心,形成一个由六个氢键结合的水分子成四面体结构的环。

随着团簇尺寸的进一步增加,结晶核逐渐生长。 475岁 分子中,红外光谱受冰结构的支配:冰晶的形成几乎完整。这种行为符合另一组研究人员在2004年所做的理论预测。

“It’当您将一定数量的水分子聚集在一起时,水会结晶,这不足为奇,” says Zeuch. “但是问题是‘这在哪里发生?’ We’ve现在已经开发出一种技术,可以精确确定发生结晶的尺寸范围。”

进入平流层

这项新技术可以帮助科学家了解地球上的云形成过程’s atmosphere. “平流层中有一些没有任何成核点的区域,其中冰晶直接由水分子形成,” says Zeuch. “现在可以对该过程的动力学进行更详细的建模。”

“这些真是令人兴奋的结果,”加利福尼亚大学圣地亚哥分校的化学家Francesco Paesani说,他研究水团簇。“纳米级的水颗粒在大气中起着重要作用,并且在许多类型的云中都可以发现冰晶。因此,了解水团如何结晶可提供有关云形成和性质的基本见解,进而影响地球’的辐射预算和气候。”

Zeuch还相信,这项研究将有助于科学家在分子动力学模拟中更好地模拟水簇之间的相互作用。准确了解这些水团簇在散装水中的行为是这些模型的主要目标之一,也是化学领域尚未解决的重大问题之一。

该研究描述于 科学.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者