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正水與仲水?東京大學科學家?guī)懔私馑膬蓚€狀態(tài)
2022-01-12 13:51:28 來源:前瞻網(wǎng) 編輯:

水在人類生存中起著根本性的作用,是我們宇宙的主要組成部分,然而我們對水仍有不了解的地方。因此,東京大學工業(yè)科學研究所、京都大學和東北大學的一個合作小組調(diào)查了電子通過C60籠中單個水分子的傳輸。

簡單的系統(tǒng)往往是確定復雜信息的最佳起點單個水分子就是這樣一個系統(tǒng)。它僅由三個原子組成,為建立量子力學信息提供了一個極佳的模型。

將一個水分子引入C60籠(一種完全由碳原子組成的足球狀分子)可以得到H2O@C60,這是研究分離水的絕佳方式。研究人員使用“分子手術(shù)”實現(xiàn)了這一目標,即打開籠子,注入水分子,然后再次關(guān)閉籠子。

然后,研究員將H2O@C60當做單分子晶體管(SMT),把一個H2O@C60分子安裝在兩個電極之間非常小的間隙中。由于電流只會通過獨立的分子,電子傳輸可以被高度具體化地研究。

科學家為H2O@C60 SMT生成了一個電導圖,也被稱為“庫侖穩(wěn)定性圖”(Coulomb stability diagram)。它顯示了水分子的多個激發(fā)態(tài)。相比之下,一個空的C60籠狀的庫侖穩(wěn)定性圖只顯示了兩個激發(fā)態(tài)。

科學家表示,因為包含兩個氫原子,水有兩種不同的核自旋狀態(tài):正水(ortho-water)和仲水(para-water)。在正水中,氫的核自旋方向相同;而在仲水中,它們彼此相反。了解這兩類水之間的轉(zhuǎn)變是一個重要的研究領(lǐng)域。

研究人員測量了H2O@C60系統(tǒng)的隧道光譜,并通過將研究結(jié)果與理論計算相比較,將測量的電導峰歸結(jié)為水分子的旋轉(zhuǎn)和振動激發(fā)。他們還用太赫茲光譜法研究了H2O@C60,結(jié)果與隧道光譜法的數(shù)據(jù)一致。

這兩種技術(shù)都顯示了正水和仲水同時的量子轉(zhuǎn)動激發(fā)。這表明單個水分子在實驗的時間范圍內(nèi)(大約一分鐘)在兩種核異構(gòu)體(正水和仲水)的過渡。

研究報告的通訊作者Kazuhiko Hirakawa說:“我們的發(fā)現(xiàn)對理解水分子中的正/仲水波動做出了重要貢獻。由于水在化學和生物學、甚至在理解我們的宇宙方面發(fā)揮著重要作用,我們期望我們的發(fā)現(xiàn)能夠產(chǎn)生廣泛的影響。”

該研究論文題為"Inelastic Electron Transport and Ortho–Para Fluctuation of Water Molecule in H2O@C60 Single Molecule Transistors",已發(fā)表在《納米快報》期刊上。

關(guān)鍵詞: 仲水 正水 東京大學 科學家

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