Heliumdråber fanger dobbelt vandstruktur

En uhåndgribelig struktur, der involverer to vandmolekyler, som var blevet forudsagt, men aldrig observeret, er blevet isoleret af RIKEN-kemikere. Denne opdagelse kan have konsekvenser for en lang række områder lige fra astrokemi til korrosion af metaller. Artiklen er offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry Letters .

En energisk partikel eller foton kan slå en elektron ud fra et vandmolekyle og skabe en positiv ion (kation; H₂ O ⁺ ) og en elektron. Denne ionisering af vand kan udløse en kaskade af andre reaktioner med nærliggende molekyler.

Vandionisering spiller vigtige roller i biologiske processer og strålingskemi samt fremmer korrosion ved grænseflader mellem vand og metaller. Hvordan ioniseringen af ​​vand forløber, er således et kritisk spørgsmål for fysiske kemikere.

Beregninger forudsiger, at efter ioniseringen af ​​et vandmolekyle vil der hurtigt dannes to isomerer af en positivt ladet ion af en vanddimer - to vandmolekyler, der er løst forbundet med en svag binding. Én isomer (H₃ O ⁺ ·OH) er blevet observeret og dannes, når en proton overføres fra et vandmolekyle til et andet.

Den anden isomer har en halv-binding (eller hemibonded) struktur (H₂). O·OH₂ ) ⁺ , men det er aldrig blevet isoleret eller bekræftet ved spektroskopiske målinger. Beregninger tyder på, at den har en højere energi end protonoverførselsdimeren.

Nu har Susumu Kuma fra RIKEN Atomic, Molecular and Optical Physics Laboratory og hans medarbejdere isoleret begge vanddimerioner ved at fange dem i små dråber koldt helium. De brugte også infrarød spektroskopi til at bestemme deres strukturer.

Kuma og kolleger brugte et ultrakoldt miljø til at fremstille isomererne. Vandmolekylerne i heliumdråberne afkølede hurtigt, da heliumatomer fordampede fra dråbens overflade. Denne proces dannede den metastabile hemibonded isomer på grund af dens meget hurtige stabilisering i de kolde dråber.

Kuma og hans team undersøgte derefter sameksistensen af ​​de to isomerer ved hjælp af beregningsmæssige og spektroskopiske metoder. De spektroskopiske signaturer af de molekylære ioner var næsten identiske med dem af bare ioner, uden helium omkring dem. "Dette fund indikerer, at vi direkte kan sammenligne målinger på de bare ioner med resultater fra kvantekemiske beregninger," siger Kuma. "Dette letter i høj grad den strukturelle analyse af dimererne."

Fundet vil hjælpe med at skabe yderligere undersøgelser på dette område, forudsiger Kuma. "Opdagelsen af ​​de hemibondede vandkationer vil fremme yderligere undersøgelser af primære begivenheder, der er vigtige for at forstå vands strålingskemi," siger han.

Kumas team har til hensigt at lede efter andre strukturer, som endnu ikke er blevet observeret. "Vi planlægger at udvide størrelsen af ​​de vandkomplekse kationer i heliumdråberne," siger Kuma. "Vi forventer at finde tidligere uobserverede, men vigtige, kemiske strukturer i spektrene."

Flere oplysninger: Arisa Iguchi et al., Isolation and Infrared Spectroscopic Characterization of Hemibonded Water Dimer Cation in Superfluid Helium Nanodroplets, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02150

Leveret af RIKEN