Een ongrijpbare structuur waarbij twee watermoleculen betrokken zijn, die voorspeld maar nooit waargenomen was, is geïsoleerd door RIKEN-chemici. Deze bevinding zou implicaties kunnen hebben voor een breed scala aan vakgebieden, variërend van astrochemie tot corrosie van metalen. Het artikel is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters .

Een energetisch deeltje of foton kan een elektron uit een watermolecuul uitschakelen, waardoor een positief ion ontstaat (kation; H₂ O ⁺ ) en een elektron. Deze ionisatie van water kan een cascade van andere reacties met nabijgelegen moleculen veroorzaken.

Waterionisatie speelt een belangrijke rol in biologische processen en stralingschemie en bevordert corrosie op grensvlakken tussen water en metalen. Hoe de ionisatie van water verloopt is dus een kritische vraag voor fysisch-chemici.

Berekeningen voorspellen dat na de ionisatie van een watermolecuul zich snel twee isomeren van een positief geladen ion van een waterdimeer – twee watermoleculen die losjes met elkaar verbonden zijn door een zwakke binding – zullen vormen. Eén isomeer (H₃ O ⁺ ·OH) is waargenomen en wordt gevormd wanneer een proton van het ene watermolecuul naar het andere wordt overgebracht.

Het andere isomeer heeft een halfgebonden (of halfgebonden) structuur (H₂ O·OH₂ ) ⁺ , maar het is nooit geïsoleerd of bevestigd door spectroscopische metingen. Berekeningen suggereren dat het een hogere energie heeft dan het protonenoverdrachtsdimeer.

Nu hebben Susumu Kuma van het RIKEN Atomic, Molecular and Optical Physics Laboratory en zijn collega's beide waterdimeerionen geïsoleerd door ze op te vangen in kleine druppeltjes koud helium. Ze gebruikten ook infraroodspectroscopie om hun structuren te bepalen.

Kuma en collega's gebruikten een ultrakoude omgeving om de isomeren te maken. De watermoleculen in de heliumdruppeltjes koelden snel af terwijl heliumatomen van het oppervlak van de druppel verdampten. Dit proces vormde het metastabiele hemigebonden isomeer vanwege de zeer snelle stabilisatie in de koude druppels.

Kuma en zijn team onderzochten vervolgens de co-existentie van de twee isomeren met behulp van computationele en spectroscopische methoden. De spectroscopische kenmerken van de moleculaire ionen waren vrijwel identiek aan die van kale ionen, zonder dat er helium omheen zat. "Deze bevinding geeft aan dat we metingen aan de kale ionen rechtstreeks kunnen vergelijken met resultaten van kwantumchemische berekeningen", zegt Kuma. "Dit vergemakkelijkt de structurele analyse van de dimeren aanzienlijk."

De bevinding zal bijdragen tot verdere studies op dit gebied, voorspelt Kuma. "De ontdekking van de halfgebonden waterkationen zal verdere studies bevorderen van primaire gebeurtenissen die belangrijk zijn voor het begrijpen van de stralingschemie van water", zegt hij.

Het team van Kuma is van plan op zoek te gaan naar andere structuren die nog moeten worden waargenomen. "We zijn van plan de omvang van de watercomplexkationen in de heliumdruppeltjes uit te breiden", zegt Kuma. "We verwachten voorheen niet-waargenomen, maar belangrijke, chemische structuren in de spectra te vinden."

Meer informatie: Arisa Iguchi et al., Isolatie en infraroodspectroscopische karakterisering van halfgebonden waterdimeerkationen in superfluïde heliumnanodruppels, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02150

Aangeboden door RIKEN