Een centraal doel van de chemische en moleculaire fysica is om moleculen te begrijpen als kwantummechanische systemen. De complexe interne dynamiek van dergelijke systemen evolueert over brede energie- en tijdschalen, tentoongesteld door een verscheidenheid aan elektronische, vibrerend, rotatie- en spinvrijheidsgraden. Sinds de oorspronkelijke ontdekking, de unieke eigenschappen van buckminsterfullereen (C ₆₀ ) hebben intense onderzoeksactiviteiten aangetrokken. Opmerkelijk, het molecuul (C ₆₀ ⁺ ) werd geïdentificeerd als een bestanddeel van de raadselachtige diffuse interstellaire banden, die worden gevonden in de spectra van verrood sterlicht in de ruimte. structureel, de unieke koolstofkooiarchitectuur maakt ze een aantrekkelijk onderwerp in de medicinale chemie om potentiële therapeutische middelen af ​​te leiden.

Buckminsterfullereen is kooiachtig met een gefuseerde ringstructuur (afgeknotte icosaëder) die lijkt op een voetbal. Samengesteld uit 20 hexagrammen en 12 vijfhoeken (60 hoekpunten en 32 vlakken), het molecuul bevat een koolstofatoom op de hoekpunten en een covalente binding langs elke polygoonrand. De fullereen-familieleden worden in een breed scala van onderzoeksdisciplines onderzocht op hun aantrekkelijke fysieke, chemisch, kwantum en biologische eigenschappen.

Bijvoorbeeld, de totaal-quantum opgeloste spectroscopie van geïsoleerde C ₆₀ moleculen zijn van oudsher interessant. Dergelijke waarnemingen waren tot dusver moeilijk te verkrijgen, sinds C ₆₀ moleculen moeten in de koude gasfase met voldoende hoge dichtheden worden bereid. In een recente studie, nu gepubliceerd in Wetenschap , natuurkundigen Bryan Changala en collega's rapporteren hoge resolutie, infrarood absorptie spectroscopie waarnemingen van C ₆₀ in het 8,5 micron spectrale gebied (overeenkomend met 1180 tot 1190 golfgetal).

In de experimenten, het team combineerde cryogene buffergaskoeling en holte-versterkte directe frequentiekamspectroscopie om de kwantumtoestand-opgeloste rovibrationele (rotatie-vibratie) overgang te observeren. Moleculen verbruiken meestal meer energie om te trillen dan om te draaien, dus een trillingsabsorptieband omvat veel gelijktijdige rotatieovergangen, hoewel ze de neiging hebben om te vervagen wanneer een molecuul meer dan een paar atomen heeft.

Resultaten van de studie toonden karakteristieke statistische intensiteitspatronen van nucleaire spin, om de ononderscheidbaarheid van de 60 koolstof-12 atomen te bevestigen. De rovibrationele structuren codeerden voor verdere details van de zeldzame icosahedrale symmetrie van het molecuul. Changala et al. succesvol gekoeld C ₆₀ fullerenen om de rotatieresolutie binnen een CC-rekband te verkrijgen. Het experimentele succes hing af van een zorgvuldige optimalisatie van de argonbuffergasstroom. De waargenomen kenmerken van het oplossen van kwantumtoestanden kunnen helpen bij het karakteriseren van verbindingen van het fullereen-type in exotische omgevingen zoals de interstellaire ruimte.

Buckminsterfullereen C ₆₀ werd ontdekt door Kroto et al. in 1985. Na zijn ontdekking, infrarood (IR) en 13C nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie bevestigden de gekooide icosahedrale structuur. Het wetenschappelijke begrip van het molecuul werd verder ontwikkeld via daaropvolgende spectroscopische en analytische technieken, inclusief röntgen- en elektronendiffractie, Raman- en neutronenverstrooiing, matrixisolatie IR-spectroscopie en foto-elektronenspectroscopie.

Spectroscopie heeft een sleutelrol gespeeld bij de astronomische detectie van C ₆₀ en zijn derivaten. Echter, daten, er waren geen rapporten over de rovibrationele kwantumtoestand-opgeloste metingen van C ₆₀ moleculen. De experimenten gerapporteerd door Changala et al., stel daarom C . vast ₆₀ als het grootste molecuul en het enige voorbeeld van zeldzame icosahedrale symmetrie waarvoor een volledig intern door kwantumtoestand opgelost spectrum is waargenomen.

De trillingsband van 8-5 µm was het doelwit van het onderzoek, omdat dit de IR-actieve modus met de laagste energie is in het toegankelijke golflengtegebied. In de experimenten, een koperen oven van 950 K sublimeerde de solide C ₆₀ monsters om gasfase-moleculen te genereren met een gemiddelde interne energie van 6-8 eV per molecuul. De steekproeven bevolkten 10 ²⁶ tot 10 ³⁰ vibrerende kwantumtoestanden.

De hete moleculen stroomden vervolgens in een cel die was verankerd aan een cryogene koude vinger, waar ze werden gethermaliseerd via botsingen met koude buffergasatomen die in de cel werden geïntroduceerd. De natuurkundigen ondervroegen de koudefase-moleculen met behulp van holte-versterkte directe frequentiekamspectroscopie (CE-DFCS) door een frequentiekam te koppelen aan een zeer verfijnde optische holte rond de koude cel om het langegolf IR (LWIR) frequentiekamlicht te genereren gecentreerd nabij 8,5 µm.

De intensiteit van elke kamtand die door de holte werd overgebracht, werd afgelezen met behulp van een Fourier-transformatie-interferometer met breedband scanning-arm. Changala en medewerkers probeerden aanvankelijk de koude gasfase C . te observeren ₆₀ met behulp van lagedruk heliumbuffergascondities, vergelijkbaar met eerder werk, maar kon geen detecteerbare absorptie opleveren. De resultaten suggereerden dat een hoger aantal botsingen en een efficiëntere energieoverdracht per botsing nodig zouden zijn om C . te thermaliseren ₆₀ naar zijn grondtrillingstoestand. Als resultaat, een voldoende dichte, koude C ₆₀ monster werd in het onderzoek geproduceerd door (1) de buffergasmassa te vergroten door over te schakelen van helium naar argon en (2) zorgvuldig de buffergasstroom en ovenpositionering ten opzichte van de inlaatspleet te optimaliseren. Het spectrum dat onder deze omstandigheden werd verkregen, vertoonde een goed opgeloste rovibrationele fijne structuur met smalle lijnbreedten.

De brede spectrale bandbreedte van de frequentiekam maakte observatie mogelijk tussen de smalle en brede signalen die de gehele breedte van de waargenomen trillingsband besloegen. De waargenomen fijne structuur in het infraroodspectrum verschafte fundamentele details van de kwantummechanische structuur van C ₆₀ . De energieën van de toestanden werden bepaald door effectieve roterende Hamiltonianen voor elke vibratietoestand. De resultaten gaven ook uitzonderlijke voorbeelden van kernspinstatistieken aan het werk.

De wetenschappers voerden experimenten uit om gedetailleerde beelden van de gemeten IR-band te verkrijgen. Bij het detecteren van R-takovergangen; waarbij het roterende kwantumgetal in de grondtoestand één meer was dan het roterende kwantumgetal in de aangeslagen toestand (d.w.z. ∆J =+1). De verwachte intensiteitspatronen uit de simulatie kwamen overeen met het gemeten spectrum. De waargenomen patronen waren een gevolg van kwantummechanische ononderscheidbaarheid van de perfecte icosaëdrische rangschikking van de koolstofkernen waaruit ¹² C ₆₀ .

In het Q-vertakkingsgebied van het spectrum, waarbij het roterende Q-getal in de grondtoestand vergelijkbaar was met het roterende Q-getal in de aangeslagen toestand (d.w.z. ∆J =0), de onderzoekers observeerden verschillende kenmerken. Ze hebben de hoogste golfnummerfunctie toegewezen als de Q-tak van de ¹² C ₆₀ isotopoloog in zijn grondtrillingstoestand. De overige kenmerken in de Q-vertakkingsregio waren niet definitief toegewezen, maar de wetenschappers geloofden dat ze waren afgeleid van de enkelvoudig gesubstitueerde ¹² C ₅₉ ¹³ C isotopoloog. Hoewel de natuurlijke overvloed aan ¹³ C was slechts 1:1%, de 60 equivalente substitutieplaatsen op het molecuul leiden tot een opmerkelijk hoge ¹² C ₅₉ ¹³ C: ¹² C ₆₀ verhouding van ongeveer 2:3.

Hoewel het kwalitatieve uiterlijk van de gemeten R- en Q-tak consistent was met de simulatie, in de P-tak, de resultaten waren in belangrijke mate oneens. De P-tak is waar het roterende kwantumgetal in de grondtoestand één minder is dan het roterende kwantumgetal in de aangeslagen toestand (d.w.z. ∆J =-1). De nulde-orde simulatie kon de positie van het aantal waargenomen overgangen niet vastleggen. Dit was waarschijnlijk omdat de termen voor centrifugale vervorming van hoge orde niet waren opgenomen in het gesimuleerde spectrum.

De beschreven experimenten uitgevoerd door Changala en collega's wijzen in de richting van een opwindende richting van fullereenonderzoek, vanwege de brede relevantie van de moleculen uit de ruimte voor de geneeskunde. De praktische toepassingen van buffergaskoeling die in het onderzoek zijn geïntroduceerd, hebben ook de mogelijkheid van experimentele herhaalbaarheid in de toekomst aangetoond.

Extra werk kan de vibrationele, elektronische of andere spectroscopieën op grotere fullerenen zoals C _70. Experimenten kunnen ook endofullerenen omvatten waarbij een atoom of molecuul is ingekapseld in een gesloten fullereen-kooi, of zelfs pure ¹³ C ₆₀ als een ongerept voorbeeld van een spin ^-1/2 netwerk op een bolvormig rooster. Chemische en moleculaire fysica met precisiespectroscopie van dergelijke doelen is een eerste stap in de richting van een enkele kwantumtoestandvoorbereiding, voorafgaand aan het experimenteel controleren van grote moleculaire systemen.

© 2019 Wetenschap X Netwerk