水クラスター
化学における 水クラスター(みずクラスター、water cluster)とは、水分子が水素結合で結びついてできる集合体、すなわち水分子のクラスターのことを指す。氷、結晶格子、あるいはバルクな液状の水について、水クラスターの構造や安定性は実験的に検討されたり計算化学で予想されたりしてきた。
水分子が等方性の集合体ではなくクラスター状にあれば、温度による水の密度の変化など、多くの奇妙な水の性質を説明しやすいとされている。超分子構造の中には、水クラスターにより安定化されるものがある。 水に溶けている分子やイオンの水和にも寄与していると予想される。
計算化学では、環状のクラスター (H2O)n について n を 3 から 60 までのものの構造が検討されている。その中で、環が大きくなるにつれ酸素原子間の距離は縮まるという計算結果が得られた。これは、水素結合により水素を受容した分子は電荷の分布が変わり水素を供与する力も増えるため、水の集合体が大きくなると協同的に水素結合が強められるためとされる。水分子の六量体にはいくつかの異性体が予想されており、環状、冊子型、バッグ型、かご型、プリズム型のものがほぼ同程度の安定性を持つと算出されている。七量体についても2種類のかご型の異性体が計算で得られており、八量体では環状のものと立方体型のものが算出されている。さらに巨大なクラスターとして、フラーレン型の28量体 "bucky water" や、280個の水分子が正二十面体状に集まったものが、エネルギーの極小値を持つものとして計算されている。近年は ab initio 法による水クラスターの解析もなされている。