团簇科学是一门在微小规模上研究原子、分子聚集体的几何结构、电子结构和物理化学性质以及向大块物质演变过程中与尺寸的关联、和外界相互作用的特征规律的科学。通过对物体微小规模的排列加以控制，可以使物体具有奇特的性质，而且还会使材料的性能产生丰富多彩的变化。在大气气溶胶的形成、雾霾的产生机制、水污染的处理等与人们生活紧密相关的关键领域，盐离子、卤素离子以及过渡金属氧化物等与水的相互作用都扮演着关键的角色。但是长期以来人们对这些问题的科学认识还停留在表观层次，对其在分子层次上的微观图像和机理更是缺乏足够的认识，这在一定程度上阻碍了相关领域的发展。本项目致力于解决上述科学难题。我们首次通过实验观测并结合理论计算得到了碱金属卤盐和水分子相互作用的稳定结构、能量和机理等信息。获得了离子和离子、离子和水分子以及水分子和水分子之间的相互作用对盐水团簇结构的影响规律，接触离子对（CIP）和溶剂隔离离子对（SSIP）的形成和演化与碱金属卤盐种类的关系，总结了最少需要多少个水分子可以隔离单个盐分子的正负离子而形成溶剂隔离离子对。提出了碱金属卤盐在水中溶解过程的微观图像和机理解释。我们从几种最重要的盐类入手，揭示了离子对的转换、提出了溶解机理、澄清了目前国际上存在的矛盾性结论。具体表现在：首次通过实验观测并结合理论计算证实了负离子团簇LiI(H2O)n-、CsI(H2O)n-、NaCl(H2O)n-

、(NaI)2(H2O)n-、(KI)2(H2O)n-、Li(H2O)n-、Cs(H2O)n-、LiBO2(H2O)n-几何结构、电子结构、溶剂化过程进行了细致的研究，得出了有意义的科学发现，我们的这一系列研究成果为人们深入理解盐的水溶性这一基本的科学问题提供了依据，对大气中气溶胶的形成和演化以及水污染的处理提供了理论参考。本研究对进一步揭示碱金属卤盐在水中溶解的微观图像和机理提供了依据，有助于在分子水平上理解盐的溶解。此外，过渡金属离子及其氧化物具有重要的催化性能，水分子体系有重要的理论和应用背景。我们率先发现和证实了一些重要过渡金属离子及其氧化物(钴氧化物、钛氧化物、钒氧化物、钪氧化物等)与水分子相互作用生成最稳定的几何结构、电子结构；确定了反应通道，获得了反应物、中间体、过渡态和产物的结构、能量和电荷等信息，归纳总结反应机理，得出了不同尺寸的过渡金属氧化物团簇与不同数目水分子反应的规律。提出了水分子与过渡金属氧化物团簇相互作用过程的微观机理解释，为其在催化及储能材料方面的应用提供了理论依据。这一系列发现在储能材料、工业催化等方面都有重要意义。通过本课题的研究，我们取得了一系列的重要突破，为解决大气污染、水污染以及储能材料等方面的一些基础科学问题打开了新的窗口，为进一步推动其在相关领域的广泛应用提供了有价值的指导。