Ultrahurtig hydrogenbindingsdynamik af flydende vand afsløret af THz-induceret Kerr-effekt

Flydende vand betragtes som hjørnestenen i livet og har mange ekstraordinære fysiske og biokemiske egenskaber. Hydrogenbindingsnetværket af flydende vand er almindeligt anerkendt for at spille en afgørende rolle i disse egenskaber. På grund af kompleksiteten af ​​intermolekylære interaktioner og det store spektrale overlap af relevante tilstande, studiet af brintbindingsdynamik er udfordrende. I de seneste år, spændende væsker i resonans med terahertz (THz) bølger giver et nyt perspektiv til at udforske den forbigående udvikling af lavfrekvent molekylær bevægelse. Imidlertid, vand har en stor absorptionskoefficient i THz-båndet, Anvendelsen af ​​den THz-inducerede Kerr-effektteknik i hydrogenbindingsdynamisk forskning har været udfordrende.

I et nyt blad udgivet i Lysvidenskab og applikationer , et hold af videnskabsmænd, ledet af professor Yuejin Zhao fra Beijing Key Laboratory for Precision Optolectronic Measurement Instrument and Technology, Skolen for Optik og Fotonik, Beijing Institute of Technology, Kina; Professor Liangliang Zhang fra Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology og Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics (MoE), Institut for Fysik, Capital Normal University, Kina; og kolleger brugte en intens og bredbånds THz-puls til resonant at excitere intermolekylære tilstande af flydende vand og opnåede bipolære THz-feltinducerede transiente dobbeltbrydningssignaler ved at anvende en fritflydende vandfilm.

De foreslog en hydrogenbinding harmonisk oscillatormodel forbundet med den dielektriske modtagelighed og kombinerede den med Lorentz dynamiske ligning for at undersøge den intermolekylære struktur og dynamik af flydende vand. De nedbryder hovedsageligt de bipolære signaler til et positivt signal forårsaget af hydrogenbindingsstrækningsvibrationer og et negativt signal forårsaget af hydrogenbindingsbøjningsvibrationer, hvilket indikerer, at polariserbarhedens forstyrrelse af vand giver konkurrerende bidrag under bøjnings- og strækningsforhold. Resultaterne giver en intuitiv tidsopløst udvikling af polariserbarhedsanisotropi, som kan afspejle de intermolekylære tilstande af flydende vand på sub-picosecond skalaen.

THz-bølgerne kan resonant excitere en eller flere molekylære bevægelsestilstande i væsker, som er et kraftfuldt værktøj til at udforske lavfrekvent molekylær dynamik. Disse videnskabsmænd opsummerer princippet for deres arbejde:

"Vi brugte et THz elektrisk felt til resonant at excitere de intermolekylære tilstande af flydende vand. Den forbigående rotation af et molekyle producerer et induceret dipolmoment, som øjeblikkeligt overfører momentum drevet af THz-feltet til den begrænsede translationelle bevægelse af tilstødende vandmolekyler. Denne translationelle bevægelse kan tildeles en bøjetilstand og en udstrækningstilstand, som kan føre til komponenterne i polariserbarhedsanisotropi vinkelret og parallelt med hydrogenbindingerne, henholdsvis, hvilket resulterer i tovejsydelse."

"I eksperimentet, en intens THz excitationskilde og en ultratynd flydende vandfilm, der erstatter traditionelle kuvetter, er grundlaget for at opnå højkvalitetssignaler." tilføjede de.

"Den ultrahurtige intermolekylære brintbindingsdynamik af vand afsløret af en bredbånds THz-pumpeimpuls kan give yderligere indsigt i den transiente struktur af flydende vand svarende til de relevante tilstande. Dette gennembrud kan åbne et nyt sted for detektering af de fysiske mekanismer i gasfasen af vand og krystallinsk og amorf is, såvel som den komplekse interaktion mellem reagenser og opløsningsmiddelvandmolekyler, " konkluderer forskerne.