17個の水分子からなる最小の内包型水分子ケージを発見(Researchers Identify Smallest Endohedral Water Cage: 17 Water Molecules)

2026-10-26 中国科学院(CAS)

中国科学院大連化学物理研究所と清華大学の研究チームは、1個の水分子を内部に取り込む最小の「内包型水分子ケージ」が、水分子17個から形成されることを実験的に明らかにした。研究チームは、大連コヒーレント光源を基盤とする中性クラスター赤外分光装置を用いて、水分子17個からなるクラスターの赤外スペクトルを測定し、高精度な量子化学計算と組み合わせて構造を解析した。その結果、内包型ケージ、五角柱が融合した構造、立方体が融合した構造の3種類が低エネルギー構造として特定され、内包型ケージが主要な構造であることが示された。このケージの酸素原子骨格は、四角形4面、五角形4面、六角形2面からなる非典型的な多面体を形成する。本成果は、溶媒和殻が成立する最小分子数という未解決問題に実験的な答えを与え、液体水の構造、疎水性溶媒和、氷の核生成、水素結合ネットワークの理解を深めるものである。

<関連情報>

非古典的な多面体を持つ最小の内部水ケージ:(H2O)17の実験的観察 Smallest Endohedral Water Cage Featuring a Nonclassic Polyhedron: Experimental Observation of (H2O)17

Wenhui Yan; Yang-Yang Zhang; Shuai Jiang; Shangdong Li; Tiantong Wang; Jun-Bo Lu; Han-Shi Hu; Jiayue Yang; Weiqing Zhang; Hua Xie; Gang Li; Jun Li; Ling Jiang; Xueming Yang
Journal American Chemical Society  Published:DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c16309

17個の水分子からなる最小の内包型水分子ケージを発見(Researchers Identify Smallest Endohedral Water Cage: 17 Water Molecules)

Abstract

The structural transition from clustered water molecules to the hydrogen-bonding networks of bulk liquid defines one of the most fundamental problems in physical chemistry, yet the precise size at which the endohedral cages emerge remains experimentally elusive. While theory has long predicted that a fully encapsulated water molecule requires a minimum of 16–23 surrounding molecules, direct experimental identification has been hindered by the difficulty of size selection of neutral clusters. Using infrared spectroscopy coupled to vacuum-ultraviolet threshold photoionization, we provide the first experimental evidence that (H2O)17 forms the smallest water endohedral cage, achieving a decades-standing goal of establishing the molecular limit of a solvation shell. Surprisingly, the oxygen framework of this (H2O)17 cage defines an unprecedented, nonclassic polyhedron with four tetragonal, four pentagonal, and two hexagonal faces that breaks the symmetry constraints of all classical Platonic, Archimedean, and Johnson solids. This work establishes a critical structural precursor to the hydrogen-bonding network topology observed in condensed-phase water and offers new perspectives at the multidisciplinary sciences of mathematics, materials, physics, and chemistry.

1701物理及び化学
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