Forskare från Bochum och Berkeley har undersökt varför burar kan öka den katalytiska aktiviteten hos inneslutna molekyler. Med hjälp av terahertz-spektroskopi och komplexa datorsimuleringar, de visade att vatten inkapslat i en liten bur har speciella egenskaper - som är strukturellt och dynamiskt skilda från alla kända faser av vatten. Vattnet bildar en droppe inuti buren som underlättar inkapslingen av en värdmolekyl, d.v.s. för att komma åt det katalytiska centret. Forskargruppen beskriver de termodynamiska egenskaperna hos denna speciella form av vatten, som aldrig har observerats förut, i journalen Förfaranden från National Academy of Sciences ( PNAS ) publicerades online den 14 december 2020.

Teamet ledd av professor Martina Havenith, Chef för ordföranden för fysikalisk kemi II vid Ruhr-Universität Bochum och talare för Cluster of Excellence Ruhr utforskar Solvation, Resolv för kort, samarbetade under arbetet med professor Teresa Head-Gordon, Professor Ken Raymond och professor Dean Toste från University of California i Berkeley.

Vatten i buren är varken fast eller en normal vätska

Vissa molekylära konstruktioner har en inre hålighet fylld med vatten, som kan vara katalytiskt aktiva, d.v.s. kan underlätta reaktionen av vissa molekyler. Forskarna replikerade dessa förhållanden i sina experiment med nanokapslar. De undersökte de inkapslade vattenmolekylerna och deras egenskaper.

En ny teori tyder på att under dessa omständigheter, vatten skulle bilda isliknande klungor. Teamet tillbakavisade denna teori i det aktuella arbetet. Terahertz-spektrumet – ett slags kemiskt fingeravtryck – av det instängda vattnet såg annorlunda ut än spektra för alla tidigare kända vattenfaser. Det liknade varken spektrumet av is eller spektrumet av bulkvatten vid högt tryck.

Istället, en droppe bildad av nio vattenmolekyler som är internt förbundna med vätebindningar, medan vätebindningsnätverket bröts vid ytan av droppen. "Vattenmolekylernas rörelser i buren är mer begränsade, " förklarar Martina Havenith. "Det kan inte vara nöjd med det här tillståndet." Som ett resultat, tömning av kaviteten lindras med avseende på normalt bulkvatten, vilket gör det lättare för en gäst att komma in i hålrummet.

Ken Raymonds och Dean Tostes team syntetiserade nanocage för denna studie. Gruppen ledd av Martina Havenith analyserade sedan vätebindningsnätverket i det inneslutna vattnet med hjälp av terahertz-spektroskopi. Teresa Head-Gordon simulerade experimentet med datorsimuleringar som kallas ab initio molekylära dynamiksimuleringar.