Het speelt een fundamentele rol in het menselijk bestaan ​​en is een belangrijk onderdeel van ons universum, maar er zijn nog steeds dingen die we niet begrijpen over water. Om de kennislacunes aan te pakken, onderzocht een samenwerkend team van het Institute of Industrial Science, de University of Tokyo, Kyoto University en Tohoku University het elektronentransport door een enkel watermolecuul in een C₆₀ kooi. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nano Letters .

Simpele systemen zijn vaak het beste startpunt voor het bepalen van complexe informatie. Een enkel watermolecuul is zo'n systeem. Het bestaat uit slechts drie atomen en biedt een uitstekend model voor het vaststellen van kwantummechanische informatie.

Introductie van een watermolecuul in een C₆₀ kooi - een voetbalvormig molecuul dat volledig uit koolstofatomen bestaat - geeft H₂ O@C₆₀ en is een uitstekende manier om water te isoleren voor onderzoek. De onderzoekers bereikten dit met behulp van "moleculaire chirurgie", waarbij de kooi wordt geopend, water wordt geïnjecteerd en de kooi weer wordt gesloten.

H₂ O@C₆₀ werd vervolgens gebruikt als een single molecule transistor (SMT) door een H₂ . te monteren O@C₆₀ molecuul in de zeer kleine opening - minder dan 1 nm - tussen twee gouden elektroden. Omdat de elektrische stroom dan alleen door het geïsoleerde molecuul gaat, kan het elektronentransport met hoge specificiteit worden bestudeerd.

Voor de H₂ is een geleidbaarheidskaart gegenereerd, ook wel een 'Coulomb-stabiliteitsdiagram' genoemd. O@C₆₀ SMT. Het toonde meerdere tunneling-geïnduceerde aangeslagen toestanden voor het watermolecuul. Daarentegen is het Coulomb-stabiliteitsdiagram van een lege C₆₀ kooi SMT vertoonde slechts twee aangeslagen toestanden.

"Omdat het twee waterstofatomen bevat, heeft water twee verschillende kernspintoestanden:ortho- en para-water. In ortho-water zijn de waterstofkernspins in dezelfde richting, terwijl ze in para-water tegenover elkaar staan." legt hoofdauteur Shaoqing Du uit. "Het begrijpen van de overgang tussen deze twee soorten water is een belangrijk onderzoeksgebied."

De onderzoekers hebben tunnelspectra gemeten voor de H₂ O@C₆₀ systeem en, door de bevindingen te vergelijken met theoretische berekeningen, waren ze in staat om de gemeten geleidingspieken toe te schrijven aan rotatie- en vibratie-excitaties van het watermolecuul. Ze onderzochten ook H₂ O@C₆₀ met behulp van terahertz-spectroscopie en de resultaten kwamen overeen met de tunneling-spectroscopiegegevens.

Beide technieken toonden gelijktijdige kwantumrotatie-excitaties van ortho- en para-water. Dit toont aan dat het enkele watermolecuul overging tussen de twee nucleaire isomeren (ortho- en para-water) binnen het tijdsbestek van het experiment, dat ongeveer een minuut was.

"Onze bevindingen leveren een belangrijke bijdrage aan het begrip van ortho-para-fluctuatie in watermoleculen", zegt de corresponderende auteur van het onderzoek Kazuhiko Hirakawa. "Omdat water zo'n belangrijke rol speelt in de chemie en biologie, en zelfs bij het begrijpen van ons universum, verwachten we dat onze bevindingen een brede impact zullen hebben."

De studie, "Inelastisch elektronentransport en ortho-para fluctuatie van watermolecuul in H₂ O@C60 Single Molecule Transistors," werd gepubliceerd in Nano Letters . + Verder verkennen

Wetenschappers vinden nieuwe manier om ortho-para-conversie in water te detecteren