光学吸收光谱探测水晶及其在氢键网络中的有序性

水晶体，即由氢键构成的准一维链状水分子，在诸多化学、物理和生理过程中的作用至关重要。然而，迄今为止直接探测水晶体一直困难重重。基于包含电子-空穴相互作用的高级 ab initio 多体理论，我们报告称光学吸收光谱可作为探测水晶体及其有序性的灵敏探针。在液态水和固态水中，光谱主峰被发现为一种电荷转移激子。在水中，该电荷转移激子与氢键环境强耦合，其中激子在氢键水分子之间激发，具有较大的光谱强度。在规则冰中，电荷转移激子的光谱权重因在质子有序水晶体上的集体激发而增强，其光谱强度随水晶体有序长度而呈比例关系。在 ice XI 中，电荷转移激子及其激子相互作用强度达到最大值，因为其较长的有序长度产生最显著的光谱信号。我们的发现表明，水晶体——这类在重要的生理和生物系统中广泛存在的分子以及其他冰相中——可通过此方法被直接探测。