Onderzoekers uit Bochum en Berkeley hebben onderzocht waarom kooien de katalytische activiteit van ingesloten moleculen kunnen verhogen. Met behulp van terahertz-spectroscopie en complexe computersimulaties, ze toonden aan dat water dat is ingekapseld in een kleine kooi speciale eigenschappen heeft - die structureel en dynamisch verschillen van elke bekende fase van water. Het water vormt een druppel in de kooi die de inkapseling van een gastheermolecuul vergemakkelijkt, d.w.z. om toegang te krijgen tot het katalytische centrum. Het onderzoeksteam beschrijft de thermodynamische eigenschappen van deze bijzondere vorm van water, die nog nooit eerder zijn waargenomen, in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ) online gepubliceerd op 14 december 2020.

Het team onder leiding van professor Martina Havenith, Hoofd van de leerstoel Fysische Chemie II aan de Ruhr-Universität Bochum en voorzitter van het Cluster of Excellence Ruhr Explores Solvation, Resolve in het kort, samengewerkt tijdens het werk met professor Teresa Head-Gordon, Professor Ken Raymond en professor Dean Toste van de University of California in Berkeley.

Water in de kooi is noch vast noch een normale vloeistof

Sommige moleculaire constructies hebben een inwendige holte gevuld met water, die katalytisch actief kan zijn, d.w.z. kan de reactie van bepaalde moleculen vergemakkelijken. De wetenschappers repliceerden deze omstandigheden in hun experimenten met behulp van nanocapsules. Ze onderzochten de ingekapselde watermoleculen en hun eigenschappen.

Een recente theorie suggereert dat, onder deze omstandigheden, water zou ijsachtige clusters vormen. Het team weerlegde deze theorie in het huidige werk. Het terahertz-spectrum - een soort chemische vingerafdruk - van het opgesloten water zag er anders uit dan de spectra van alle eerder bekende fasen van water. Het leek noch op het spectrum van ijs, noch op het spectrum van bulkwater onder hoge druk.

In plaats daarvan, een druppel gevormd uit negen watermoleculen intern verbonden door waterstofbruggen, terwijl het waterstofbrugnetwerk aan het oppervlak van de druppel werd verstoord. "De bewegingen van de watermoleculen in de kooi zijn meer beperkt, " legt Martina Havenith uit. "Het kan niet blij zijn met deze staat." het ledigen van de holte wordt verlicht ten opzichte van normaal bulkwater, waardoor het voor een gast gemakkelijker wordt om de holte binnen te gaan.

Het team van Ken Raymond en Dean Toste heeft de nanokooi gesynthetiseerd voor de huidige studie. De groep onder leiding van Martina Havenith analyseerde vervolgens het waterstofbrugnetwerk van het beschutte water met behulp van terahertz-spectroscopie. Teresa Head-Gordon simuleerde het experiment met behulp van computersimulaties die ab initio moleculaire dynamica-simulaties worden genoemd.