Fængslede molekyler kvante rasler i deres bure

Forskere har opdaget, at et rum inde i en særlig type kulstofmolekyle kan bruges til at fængsle andre mindre molekyler, såsom brint eller vand.

Hulrummet på nanometerstørrelse i den hule sfæriske C60 Buckminsterfulleren – eller bucky ball – skaber effektivt et 'nanolaboratorium', tillader detaljeret undersøgelse af de kvantemekaniske principper, der bestemmer bevægelsen af ​​det indkapslede molekyle, inklusive den mystiske bølgelignende adfærd, der er en grundlæggende egenskab ved alt stof.

Eksperimenter fra internationalt samarbejde mellem forskere, inklusive fysikere fra University of Nottingham, har afsløret den bølgelignende adfærd og viser, hvordan de fængslede H2- og H2O-molekyler 'kvanterasler' i deres bur.

Professor Tony Horsewill, fra School of Physics and Astronomy ved University of Nottingham, sagde:"For mig kom en stor del af motivationen til at udføre denne undersøgelse fra den rene fornøjelse ved at studere et så unikt og smukt molekyle og pirre den fascinerende indsigt, det gav i det grundlæggende i kvantemolekylær dynamik. Intellektuelt, det har været enormt hyggeligt.

"Imidlertid, som med ethvert blå himmel-forskningsinitiativ er der altid løftet om nye, ofte uforudset, applikationer. Ja, i tilfælde af vandmolekyler inde i bucky bolde har vi et gæstemolekyle, der besidder et elektrisk dipolmoment, og samarbejdet undersøger allerede dets anvendelse i molekylær elektronik, inklusive som en innovativ komponent i en molekylær transistor."

Forskningen, som involverede forskere fra USA, Japan, Frankrig, Estland og universiteterne i Nottingham og Southampton i Storbritannien, er for nylig blevet publiceret i det prestigefyldte tidsskrift Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

Opdagelsen af ​​C60 Buckminsterfulleren, og den beslægtede klasse af molekyler fullerenerne, i midten af ​​1980'erne fik professorerne Harry Kroto, Robert Curl og afdøde Richard Smalley fik Nobelprisen i kemi i 1996.

Den har en burlignende sfærisk struktur bestående af 20 sekskanter og 12 femkanter og ligner en fodbold, giver den kaldenavnet 'bucky ball'.

I et nyligt gennembrud inden for syntetisk kemi, de japanske videnskabsmænd fra Kyoto har opfundet en molekylær kirurgisk teknik, der giver dem mulighed for permanent at forsegle små molekyler som H2 og H2O inde i C60.

De brugte et sæt kirurgiske syntetiske procedurer til at åbne C60 'buret' og producere en åbning, der var stor nok til at 'skubbe' et H2- eller H2O -molekyle inde ved høj temperatur og tryk. Systemet blev derefter kølet ned for at stabilisere det indesluttede molekyle indeni, og buret blev kirurgisk repareret for at reproducere en C60.

Professor Horsewill tilføjede:"Denne teknik lykkes med at kombinere universets måske smukkeste molekyle C60 med dets enkleste."

Forskergruppen i Nottingham har brugt en teknik kaldet uelastisk neutronspredning (INS), hvor en stråle af neutroner, fundamentale partikler, der udgør atomkernen, bruges til at undersøge gæstemolekylernes 'raslende' bevægelse i C60.

Deres undersøgelser har givet et indblik i den bølgelignende natur af H20- og H2-molekyler og deres orbitale og roterende bevægelse, når de bevæger sig inden for C60.

Professor Malcolm Levitt, fra School of Chemistry ved University of Southampton, som har brugt teknikken kernemagnetisk resonans (NMR) til at studere kvanteegenskaberne af de indkapslede molekyler, sagde:"Ved at indeslutte små molekyler såsom vand i fullerenbure giver vi det kontrollerede miljø i et laboratorium, men på skalaen omkring en nanometer.

"Under disse betingelser, de afgrænsede molekyler afslører en bølgelignende natur og opfører sig i overensstemmelse med kvantemekanikkens love. Bortset fra deres iboende interesse, vi forventer, at disse materialers særlige egenskaber vil føre til en række anvendelser, nye måder at gøre billederne af MR-scanninger lysere på, og nye typer computerhukommelse."

Værket udgivet i PNAS papir har også særskilt identificeret to subtilt forskellige former for H2O - orto-vand og para-vand. Disse såkaldte nukleare spin-isomerer skylder også deres separate identiteter til kvantemekaniske principper.