I chimici del RIKEN hanno isolato una struttura sfuggente che coinvolge due molecole d'acqua, prevista ma mai osservata. Questa scoperta potrebbe avere implicazioni per una vasta gamma di campi che vanno dall’astrochimica alla corrosione dei metalli. L'articolo è pubblicato su The Journal of Physical Chemistry Letters .
Una particella energetica o un fotone possono eliminare un elettrone da una molecola d'acqua, creando uno ione positivo (catione; H2 O + ) e un elettrone. Questa ionizzazione dell'acqua può innescare una cascata di altre reazioni con le molecole vicine.
La ionizzazione dell'acqua svolge un ruolo importante nei processi biologici e nella chimica delle radiazioni, oltre a promuovere la corrosione alle interfacce tra acqua e metalli. Come procede la ionizzazione dell'acqua è quindi una questione critica per i chimici fisici.
I calcoli prevedono che in seguito alla ionizzazione di una molecola d’acqua, si formeranno rapidamente due isomeri di uno ione carico positivamente di un dimero d’acqua – due molecole d’acqua vagamente collegate da un legame debole. Un isomero (H3 O + ·OH) è stato osservato e si forma quando un protone viene trasferito da una molecola d'acqua a un'altra.
L'altro isomero ha una struttura semilegata (o emilegata) (H2 O·OH2 ) + , ma non è mai stato isolato o confermato da misurazioni spettroscopiche. I calcoli suggeriscono che abbia un'energia maggiore rispetto al dimero di trasferimento di protoni.
Ora, Susumu Kuma del Laboratorio di fisica atomica, molecolare e ottica del RIKEN e i suoi colleghi hanno isolato entrambi gli ioni dimeri d’acqua intrappolandoli in minuscole goccioline di elio freddo. Hanno anche usato la spettroscopia infrarossa per determinare le loro strutture.
Kuma e colleghi hanno utilizzato un ambiente ultrafreddo per produrre gli isomeri. Le molecole d'acqua nelle goccioline di elio si raffreddarono rapidamente mentre gli atomi di elio evaporavano dalla superficie della gocciolina. Questo processo ha formato l'isomero emilegato metastabile a causa della sua stabilizzazione molto rapida all'interno delle goccioline fredde.
Kuma e il suo team hanno quindi analizzato la coesistenza dei due isomeri utilizzando metodi computazionali e spettroscopici. Le firme spettroscopiche degli ioni molecolari erano quasi identiche a quelle degli ioni semplici, senza l'elio che li circondava. "Questa scoperta indica che possiamo confrontare direttamente le misurazioni sugli ioni nudi con i risultati dei calcoli quantistici", afferma Kuma. "Ciò facilita notevolmente l'analisi strutturale dei dimeri."
La scoperta aiuterà a generare ulteriori studi in questo campo, prevede Kuma. "La scoperta dei cationi emilegati dell'acqua promuoverà ulteriori studi sugli eventi primari che sono importanti per comprendere la chimica delle radiazioni dell'acqua", afferma.
Il team di Kuma intende cercare altre strutture che devono ancora essere osservate. "Abbiamo in programma di estendere la dimensione dei cationi complessi dell'acqua nelle goccioline di elio", afferma Kuma. "Ci aspettiamo di trovare negli spettri strutture chimiche precedentemente non osservate, ma importanti."
Ulteriori informazioni: Arisa Iguchi et al, Isolamento e caratterizzazione spettroscopica a infrarossi del catione dimero d'acqua emilegato in nanogocce di elio superfluido, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02150
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