Молекулы воды могут существовать как один из двух изомеров в зависимости от того, как вращения их двух водородных атомов ориентированы: ortho, где вращения параллельны и имеют количество вращения 1, и параграф, где вращения антипараллельны и имеют количество вращения 0. Ученые полагают, что любая данная молекула может преобразовать от ortho-в пара – спиновые состояния и наоборот, процесс, известный как ядерное преобразование вращения.«В настоящее время механизмы для этого преобразования не полностью поняты, ни сколько времени оно берет молекулы, чтобы преобразовать от одного изомера вращения до другого», сказал Сальваторе Мамоне, постдокторский физик в Саутгемптонском университете и ведущий автор на бумаге JCP. «Чтобы изучить это, мы должны были выяснить, как уменьшить сильные межмолекулярные взаимодействия, которые ответственны за скопление и понижают вращательную подвижность молекул воды».
Ответ должен был использовать химические реакции открыть отверстие в фуллерене (C60, также известный как бакибол) сферы, ввести молекулы воды и затем закрыть «клетки», чтобы сформировать комплекс, называемый H2O@C60. «В конце этой синтетической подготовки, которую называют ‘молекулярная хирургия’, мы находим, что 70 – 90 процентов клеток заполнены, давая нам значительное количество молекул воды, чтобы исследовать», сказал Мэмоун. «Поскольку [водные] молекулы сохранены отделенными клетками, есть большая вращательная свобода, которая делает наблюдение за ortho и изомерами параграфа возможным».В их эксперименте исследователи быстро охладили отдельные образцы H2O@C60 от 50 Келвина (минус 223 градуса Цельсия) к 5 K (минус 268 градусов Цельсия) и затем контролировали, их NMR сигнализируют о каждых нескольких минутах за несколько дней.«Поскольку наблюдаемый сигнал NMR пропорционален на сумму ortho-воды в образце [параводой с ее количеством вращения 0 является «NMR, тихий»], мы можем отследить проценты ortho и изомеров параграфа в любое время и любой температуры», объяснил Мэмоун. «В 50 K мы находим, что 75 процентов молекул воды – ortho, в то время как в 5 K, они становятся почти 100-процентным параграфом. Поэтому мы знаем, что после быстрого температурного скачка, равновесие восстановлено преобразованием от ortho до параграфа – и мы видим то преобразование в режиме реального времени».
Удивительный результат эксперимента был то, что исследователи наблюдали закон об уровне второго порядка в кинетике преобразования вращения, которое доказывает, что пары молекул должны взаимодействовать для преобразования, чтобы произойти. «Предыдущие исследования размышляли, что другие ядерные вращения могут вызвать преобразование, но мы нашли, что это не имело место для H2O@C60», сказал Мэмоун.Затем исследовательская группа планирует изучить роли концентраций изомера и температуры в конверсионном процессе, преобразовании параводы к ortho («назад преобразование»), как обнаружить единственный ortho-и парамолекулы воды на поверхностях и изомеры вращения в других державших в клетке фуллереном молекулах.
В дополнение к Саутгемптонскому университету исследователи из данной статьи – affliated с Колумбийским университетом и Ноттингемским университетом.