En svårfångad struktur som involverar två vattenmolekyler, som hade förutspåtts men aldrig observerats, har isolerats av RIKENs kemister. Detta fynd kan få konsekvenser för ett brett spektrum av områden, allt från astrokemi till korrosion av metaller. Uppsatsen är publicerad i The Journal of Physical Chemistry Letters .

En energisk partikel eller foton kan slå ut en elektron från en vattenmolekyl och skapa en positiv jon (katjon; H₂ O ⁺ ) och en elektron. Denna jonisering av vatten kan utlösa en kaskad av andra reaktioner med närliggande molekyler.

Vattenjonisering spelar viktiga roller i biologiska processer och strålningskemi samt främjar korrosion vid gränssnitten mellan vatten och metaller. Hur joniseringen av vatten fortskrider är därför en kritisk fråga för fysikaliska kemister.

Beräkningar förutspår att efter jonisering av en vattenmolekyl kommer två isomerer av en positivt laddad jon av en vattendimer - två vattenmolekyler som är löst förbundna med en svag bindning - att bildas snabbt. En isomer (H₃ O ⁺ ·OH) har observerats och bildas när en proton överförs från en vattenmolekyl till en annan.

Den andra isomeren har en halvbunden (eller hemibunden) struktur (H₂). O·OH₂ ) ⁺ , men det har aldrig isolerats eller bekräftats av spektroskopiska mätningar. Beräkningar tyder på att den har högre energi än protonöverföringsdimeren.

Nu har Susumu Kuma från RIKEN Atomic, Molecular and Optical Physics Laboratory och hans medarbetare isolerat båda vattendimerjonerna genom att fånga dem i små droppar av kallt helium. De använde också infraröd spektroskopi för att bestämma deras strukturer.

Kuma och hans medarbetare använde en ultrakall miljö för att tillverka isomererna. Vattenmolekylerna i heliumdropparna kyldes snabbt när heliumatomer avdunstade från droppens yta. Denna process bildade den metastabila hemibonded isomeren på grund av dess mycket snabba stabilisering i de kalla dropparna.

Kuma och hans team undersökte sedan samexistensen av de två isomererna med hjälp av beräknings- och spektroskopiska metoder. De spektroskopiska signaturerna för de molekylära jonerna var nästan identiska med de för bara joner, utan att helium omgav dem. "Detta fynd indikerar att vi direkt kan jämföra mätningar på de bara jonerna med resultat från kvantkemiska beräkningar", säger Kuma. "Detta underlättar avsevärt den strukturella analysen av dimererna."

Fyndet kommer att hjälpa till att skapa ytterligare studier inom detta område, förutspår Kuma. "Upptäckten av de hemibonded vattenkatjonerna kommer att främja ytterligare studier av primära händelser som är viktiga för att förstå strålningskemin hos vatten", säger han.

Kumas team har för avsikt att leta efter andra strukturer som ännu inte har observerats. "Vi planerar att utöka storleken på vattenkomplexkatjonerna i heliumdropparna", säger Kuma. "Vi förväntar oss att hitta tidigare oobserverade, men viktiga, kemiska strukturer i spektra."

Mer information: Arisa Iguchi et al, Isolation and Infrared Spectroscopic Characterization of Hemibonded Water Dimer Cation in Superfluid Helium Nanodroplets, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02150

Tillhandahålls av RIKEN