Credito:Università di Tokyo
Svolge un ruolo fondamentale nell'esistenza umana ed è una componente importante del nostro universo, ma ci sono ancora cose che non capiamo dell'acqua. Per colmare le lacune di conoscenza, un team collaborativo di Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, Kyoto University e Tohoku University ha studiato il trasporto di elettroni attraverso una singola molecola d'acqua in un C60 gabbia. I loro risultati sono pubblicati in Nano Letters .
I sistemi semplici sono spesso il miglior punto di partenza per determinare informazioni complesse. Una singola molecola d'acqua è uno di questi sistemi. Composto da soli tre atomi, fornisce un modello eccellente per stabilire informazioni quantomeccaniche.
Introduzione di una molecola d'acqua in un C60 cage, una molecola a forma di pallone da calcio composta interamente da atomi di carbonio, fornisce H2 O@C60 ed è un ottimo modo per isolare l'acqua per le indagini. I ricercatori hanno raggiunto questo obiettivo utilizzando la "chirurgia molecolare", che prevede l'apertura della gabbia, l'iniezione di acqua e la chiusura della gabbia.
H2 O@C60 è stato quindi utilizzato come transistor a molecola singola (SMT) montando un H2 O@C60 molecola nello spazio molto piccolo, inferiore a 1 nm, tra due elettrodi d'oro. Poiché la corrente elettrica passa quindi solo attraverso la molecola isolata, il trasporto degli elettroni può essere studiato con elevata specificità.
È stata generata una mappa di conduttanza, nota anche come "diagramma di stabilità di Coulomb", per H2 O@C60 SMT. Ha mostrato più stati eccitati indotti dal tunneling per la molecola d'acqua. Al contrario, il diagramma di stabilità di Coulomb di un C60 vuoto la gabbia SMT ha mostrato solo due stati eccitati.
"Poiché contiene due atomi di idrogeno, l'acqua ha due diversi stati di spin nucleare:orto e para-acqua. Nell'orto-acqua gli spin nucleari dell'idrogeno sono nella stessa direzione, mentre in para-acqua sono opposti l'uno all'altro", spiega l'autore principale dello studio Shaoqing Du. "Capire la transizione tra questi due tipi di acqua è un'importante area di ricerca."
I ricercatori hanno misurato gli spettri di tunneling per H2 O@C60 sistema e, confrontando i risultati con calcoli teorici, sono stati in grado di attribuire i picchi di conduttanza misurati alle eccitazioni rotazionali e vibrazionali della molecola d'acqua. Hanno anche studiato H2 O@C60 utilizzando la spettroscopia terahertz e i risultati concordano con i dati della spettroscopia di tunneling.
Entrambe le tecniche hanno mostrato simultaneamente eccitazioni rotazionali quantistiche dell'orto e dell'acqua para. Ciò dimostra che la singola molecola d'acqua è passata tra i due isomeri nucleari (orto- e para-acqua) entro il periodo di tempo dell'esperimento, che è stato di circa un minuto.
"I nostri risultati danno un contributo importante alla comprensione della fluttuazione orto-para nelle molecole d'acqua", afferma l'autore corrispondente dello studio Kazuhiko Hirakawa. "Poiché l'acqua svolge un ruolo così importante nella chimica e nella biologia, e anche nella comprensione del nostro universo, ci aspettiamo che le nostre scoperte abbiano un impatto ad ampio raggio."
Lo studio, "Trasporto di elettroni anelastici e fluttuazione orto-para della molecola d'acqua in H2 O@C60 Single Molecule Transistors", è stato pubblicato in Nano Letters . + Esplora ulteriormente
