10.01.2022 - University of Tokyo

Ein einziges Molekül sorgt für großen Wirbel beim Verständnis der beiden Arten von Wasser

"Da Wasser eine so wichtige Rolle in der Chemie und Biologie und sogar beim Verständnis unseres Universums spielt, erwarten wir, dass unsere Ergebnisse weitreichende Auswirkungen haben werden"

Es spielt eine grundlegende Rolle für die menschliche Existenz und ist ein wichtiger Bestandteil unseres Universums, doch es gibt immer noch Dinge, die wir über Wasser nicht verstehen. Um diese Wissenslücken zu schließen, hat ein Team des Institute of Industrial Science, der University of Tokyo, der Kyoto University und der Tohoku University den Elektronentransport durch ein einzelnes Wassermolekül in einem C60-Käfig untersucht. Ihre Ergebnisse sind in Nano Letters veröffentlicht.

Einfache Systeme sind oft der beste Ausgangspunkt für die Ermittlung komplexer Informationen. Ein einzelnes Wassermolekül ist ein solches System. Es besteht aus nur drei Atomen und ist ein hervorragendes Modell für die Ermittlung quantenmechanischer Informationen.

Bringt man ein Wassermolekül in einen C60-Käfig ein - ein fußballförmiges Molekül, das vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht -, so erhält man H2O@C60, eine hervorragende Möglichkeit, Wasser für Untersuchungen zu isolieren. Die Forscher erreichten dies durch "molekulare Chirurgie", d. h. sie öffneten den Käfig, injizierten Wasser und schlossen den Käfig wieder.

H2O@C60 wurde dann als Einzelmolekül-Transistor (SMT) verwendet, indem ein H2O@C60-Molekül in den sehr kleinen Spalt - weniger als 1 nm - zwischen zwei Goldelektroden eingebaut wurde. Da der elektrische Strom dann nur durch das isolierte Molekül fließt, kann der Elektronentransport mit hoher Spezifität untersucht werden.

Für den H2O@C60 SMT wurde eine Leitwertkarte, auch bekannt als "Coulomb-Stabilitätsdiagramm", erstellt. Es zeigte mehrere durch Tunneln angeregte Zustände für das Wassermolekül. Im Gegensatz dazu zeigte das Coulomb-Stabilitätsdiagramm eines leeren C60-Käfig-SMTs nur zwei angeregte Zustände.

"Weil es zwei Wasserstoffatome enthält, hat Wasser zwei verschiedene Kernspinzustände: ortho- und para-Wasser. In ortho-Wasser sind die Wasserstoff-Kernspins gleichgerichtet, während sie in para-Wasser einander entgegengesetzt sind", erklärt der Hauptautor der Studie, Shaoqing Du. "Das Verständnis des Übergangs zwischen diesen beiden Wassertypen ist ein wichtiges Forschungsgebiet".

Die Forscher maßen Tunnelspektren für das H2O@C60-System und konnten durch den Vergleich der Ergebnisse mit theoretischen Berechnungen die gemessenen Leitfähigkeitsspitzen auf Rotations- und Vibrationsanregungen des Wassermoleküls zurückführen. Sie untersuchten H2O@C60 auch mit Terahertz-Spektroskopie, und die Ergebnisse stimmten mit den Daten der Tunnelspektroskopie überein.

Beide Techniken zeigten Quantenrotationsanregungen von ortho- und para-Wasser gleichzeitig. Dies zeigt, dass das einzelne Wassermolekül innerhalb des Zeitrahmens des Experiments, der etwa eine Minute betrug, zwischen den beiden Kernisomeren (ortho- und para-Wasser) wechselte.

"Unsere Ergebnisse leisten einen wichtigen Beitrag zum Verständnis der ortho-para-Fluktuation in Wassermolekülen", sagt der korrespondierende Autor der Studie, Kazuhiko Hirakawa. "Da Wasser eine so wichtige Rolle in der Chemie und Biologie und sogar beim Verständnis unseres Universums spielt, erwarten wir, dass unsere Ergebnisse weitreichende Auswirkungen haben werden."

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