Forskare vid Ruhr-Universität Bochum har observerat hur en molekyl från en fast kristallstruktur för första gången solvatiseras i ett flytande lösningsmedel på molekylnivå. Processen är för snabb för att dechiffrera vid rumstemperatur. Teamet från Ruhr Explores Solvation (Resolv) Cluster of Excellence använde mikroskopiska metoder som fungerar vid särskilt låga temperaturer. Gruppen ledd av Dr Karsten Lucht och professor Karina Morgenstern från Institutionen för fysikalisk kemi I beskriver de relevanta stegen i lösningsprocessen i tidskriften Angewandte Chemie den 11 oktober 2018.

"Att förstå lösningsprocessen är av grundläggande betydelse för kemi, eftersom kunskapen skulle kunna bidra till att påverka interaktionen mellan lösningsmedel och solvatiserade molekyler på ett riktat sätt och därmed styra kemiska reaktioner ännu mer övergripande, " förklarar Karsten Lucht.

För studien, kemisterna analyserade kristaller av en organisk molekyl med hjälp av tunnelmikroskopi vid låg temperatur, som fungerar vid minus 265 grader Celsius. Vid denna temperatur, molekylära rörelser stannar, så att de individuella molekylerna kan avbildas.

Vatten löser kristallstrukturen

Forskarna fixerade de organiska molekylerna på en speciell silveryta. Molekylernas funktionella grupper bildade sedan kedjor. "Denna struktur motsvarar en endimensionell kristall, " förklarar Lucht. Forskarna tillsatte sedan en liten mängd vatten, som fäste sig vid de organiska molekylerna på definierade positioner. Till sist, de värmde upp systemet till minus 193 grader Celsius, varvid kristallstrukturen helt förlorades.

"Förlusten av den molekylära ordningen motsvarar solvatiseringen av den organiska kristallen i en verklig lösning, " beskriver Karina Morgenstern. De enskilda organiska molekylerna interagerar endast med vattenmolekylerna och kan därför betraktas som solvatiserade. "Vi kunde alltså för första gången observera de relevanta stegen i solvatiseringsprocessen på enskilda molekyler, dvs den torra kristallen, bindningen av lösningsmedlet till det och dess fullständiga lösning, " säger forskaren.