Et enkelt molekyle gør et stort sprøjt i forståelsen af ​​de to typer vand

Det spiller en grundlæggende rolle i menneskets eksistens og er en vigtig bestanddel af vores univers, men der er stadig ting, vi ikke forstår om vand. For at afhjælpe videnshullerne undersøgte et samarbejdende team af Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Kyoto University og Tohoku University elektrontransport gennem et enkelt vandmolekyle i en C₆₀ bur. Deres resultater er offentliggjort i Nano Letters .

Simple systemer er ofte det bedste udgangspunkt for at bestemme kompleks information. Et enkelt vandmolekyle er et sådant system. Den består af kun tre atomer og giver en fremragende model til at etablere kvantemekanisk information.

Introduktion af et vandmolekyle i en C₆₀ bur – et fodboldformet molekyle udelukkende lavet af kulstofatomer – giver H₂ O@C₆₀ og er en glimrende måde at isolere vand til undersøgelse. Forskerne opnåede dette ved at bruge "molekylær kirurgi", som involverer at åbne buret, injicere vand og lukke buret igen.

H₂ O@C₆₀ blev derefter brugt som en enkelt molekyle transistor (SMT) ved at montere en H₂ O@C₆₀ molekyle i det meget lille hul - mindre end 1 nm - mellem to guldelektroder. Fordi den elektriske strøm så kun passerer gennem det isolerede molekyle, kan elektrontransporten studeres med høj specificitet.

Et konduktanskort, også kendt som et "Coulomb stabilitetsdiagram," blev genereret for H₂ O@C₆₀ SMT. Det viste flere tunneling-inducerede exciterede tilstande for vandmolekylet. I modsætning hertil er Coulomb-stabilitetsdiagrammet for en tom C₆₀ bur SMT viste kun to ophidsede tilstande.

"Fordi det indeholder to brintatomer, har vand to forskellige nukleare spin-tilstande:ortho- og para-vand. I ortho-vand er brint-kernespindene i samme retning, mens de i para-vand er modsatte af hinanden." forklarer studiets hovedforfatter Shaoqing Du. "Forståelse af overgangen mellem disse to typer vand er et vigtigt forskningsområde."

Forskerne målte tunnelspektre for H₂ O@C₆₀ system og var ved at sammenligne resultaterne med teoretiske beregninger i stand til at tilskrive de målte konduktanstoppe til rotations- og vibrationsexcitationer af vandmolekylet. De undersøgte også H₂ O@C₆₀ ved hjælp af terahertz-spektroskopi, og resultaterne stemte overens med tunnelspektroskopidataene.

Begge teknikker viste kvanterotationsexcitationer af ortho- og para-vand samtidigt. Dette viser, at det enkelte vandmolekyle gik i overgang mellem de to nukleare isomerer (ortho- og para-vand) inden for eksperimentets tidsramme, som var cirka et minut.

"Vores resultater yder et vigtigt bidrag til forståelsen af ​​ortho-para-fluktuation i vandmolekyler," siger undersøgelsens korresponderende forfatter Kazuhiko Hirakawa. "Fordi vand spiller en så vigtig rolle i kemi og biologi, og selv i forståelsen af ​​vores univers, forventer vi, at vores resultater har en bred indvirkning."

Undersøgelsen, "Inelastic Electron Transport and Ortho-Para Fluctuation of Water Molecule in H₂ O@C60 Single Molecule Transistors," blev offentliggjort i Nano Letters . + Udforsk yderligere

Forskere finder en ny måde at detektere ortho-para-konvertering i vand