Det spelar en grundläggande roll i människans existens och är en viktig komponent i vårt universum, men det finns fortfarande saker vi inte förstår om vatten. För att komma till rätta med kunskapsluckorna undersökte ett samarbetsteam från Institute of Industrial Science, University of Tokyo, Kyoto University och Tohoku University elektrontransport genom en enda vattenmolekyl i en C₆₀ bur. Deras resultat publiceras i Nano Letters .

Enkla system är ofta den bästa utgångspunkten för att fastställa komplex information. En enda vattenmolekyl är ett sådant system. Den består av bara tre atomer och ger en utmärkt modell för att fastställa kvantmekanisk information.

Att introducera en vattenmolekyl i en C₆₀ bur – en fotbollsformad molekyl helt gjord av kolatomer – ger H₂ O@C₆₀ och är ett utmärkt sätt att isolera vatten för undersökning. Forskarna uppnådde detta genom att använda "molekylär kirurgi", som innebär att buren öppnas, injiceras vatten och stängs igen.

H₂ O@C₆₀ användes sedan som en enkelmolekyltransistor (SMT) genom att montera en H₂ O@C₆₀ molekyl i det mycket lilla gapet - mindre än 1 nm - mellan två guldelektroder. Eftersom den elektriska strömmen då endast passerar genom den isolerade molekylen kan elektrontransporten studeras med hög specificitet.

En konduktanskarta, även känd som ett "Coulomb stabilitetsdiagram", genererades för H₂ O@C₆₀ SMT. Den visade flera tunnelinducerade exciterade tillstånd för vattenmolekylen. Däremot Coulombs stabilitetsdiagram för en tom C₆₀ bur SMT visade endast två exciterade tillstånd.

"Eftersom det innehåller två väteatomer har vatten två olika kärnspinntillstånd:orto- och para-vatten. I orto-vatten är vätekärnspinnerna i samma riktning, medan de i para-vatten är motsatta varandra." förklarar studiens huvudförfattare Shaoqing Du. "Att förstå övergången mellan dessa två typer av vatten är ett viktigt forskningsområde."

Forskarna mätte tunnelspektra för H₂ O@C₆₀ system och, genom att jämföra resultaten med teoretiska beräkningar, kunde de tillskriva de uppmätta konduktanstopparna till rotations- och vibrationsexcitationer av vattenmolekylen. De undersökte även H₂ O@C₆₀ med terahertz-spektroskopi och resultaten överensstämde med tunnelspektroskopidata.

Båda teknikerna visade kvantrotationsexcitationer av orto- och para-vatten samtidigt. Detta visar att den enda vattenmolekylen övergick mellan de två nukleära isomererna (orto- och para-vatten) inom tidsramen för experimentet, som var ungefär en minut.

"Våra resultat ger ett viktigt bidrag till förståelsen av orto-para-fluktuationer i vattenmolekyler", säger studiens motsvarande författare Kazuhiko Hirakawa. "Eftersom vatten spelar en så viktig roll i kemi och biologi, och till och med för att förstå vårt universum, förväntar vi oss att våra upptäckter kommer att ha en omfattande inverkan."

Studien, "Inelastic Electron Transport and Ortho−Para Fluctuation of Water Molecule in H₂ O@C60 Single Molecule Transistors," publicerades i Nano Letters . + Utforska vidare

Forskare hittar nya sätt att upptäcka orto-para-omvandling i vatten