Studie onthult gecontroleerde protontunneling in watertrimeren

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Hyung-Joon Shin van het Department of Materials Science and Engineering bij UNIST is erin geslaagd het kwantumfenomeen op te helderen dat zich voordoet in een driehoekige cluster van drie watermoleculen. Het werk is gepubliceerd in het dagboek Nano letters.

Hun bevindingen tonen aan dat de collectieve rotatiebeweging van watermoleculen de protontunneling verbetert, een kwantummechanisch effect waarbij protonen (h⁺) omzeilen energiebarrières in plaats van ze te overwinnen. Dit fenomeen heeft implicaties voor chemische reactiesnelheden en de stabiliteit van biomoleculen zoals DNA.

De studie laat zien dat wanneer de rotatiebeweging van watermoleculen wordt geactiveerd, de afstanden tussen de moleculen zich aanpassen, resulterend in verhoogde coöperativiteit en protonentunneling faciliteren. Met dit proces kunnen de drie protonen uit de watermoleculen collectief de energiebarrière overwinnen.

Om dit te onderzoeken, creëerde het onderzoeksteam een ​​driehoekige opstelling van drie watermoleculen en analyseerde ze veranderingen in zijn vorm. Ze gebruikten geavanceerde analysetechnieken, met name scanning tunneling microscopie (STM), om de moleculen afzonderlijk te manipuleren en de resulterende configuraties te bestuderen.

De watermoleculen werden bevestigd bovenop een zoutfilm onder ultra-high-vacuümomstandigheden (10^–11 Torr) en extreme cryogene temperaturen (tussen -268,75 ° C en -257.15 ° C) om verdamping te voorkomen. De driehoekige opstelling werd waargenomen om te vervormen, links of rechts (isomerisme), waarbij de richting van vervorming vaak veranderde. Dit gedrag dient als bewijs dat protontunneling zelfs bij lage temperaturen optreedt.

Wanneer een specifieke spanning werd toegepast via de STM -sonde op de vervormde driehoekige structuur, werd waargenomen dat het dichter bij een gelijkzijdige driehoek zou transformeren. Deze verandering geeft aan dat de spanning de rotatiebeweging van de moleculen heeft geactiveerd, die de afstanden van de waterstofbinding en verbeterde coöperativiteit aanpaste, wat leidde tot collectieve protonentunneling.

Om hun bevindingen te valideren, voerde het onderzoeksteam aanvullende experimenten uit dan alleen het observeren van de vorm van de driehoek van het watermolecuul. Ze voerden theoretische berekeningen uit en vergeleken de tunnelsnelheden van deuteriumoxide (D₂O) en water (h₂O).

Dr. Yohan Kim en Dr. Huijun Han van Unist dienden als co-first auteurs in dit onderzoek. “Hoewel water een uitstekend hulpmiddel is voor het experimenteel analyseren van de relatie tussen intermoleculaire coöperativiteit en protontunneling, maakte sterke waterstofbinding tussen de watermoleculen deze experimenten uitdagend,” verklaarden ze. “We hebben dit opgelost door technieken te gebruiken om slechts drie watermoleculen te isoleren en te analyseren.”

Professor Shin, de overeenkomstige auteur van de studie, benadrukte het belang van hun bevindingen door te zeggen: “Dit onderzoek helpt experimenteel de cruciale rol van moleculaire rotatiebeweging en coöperativiteit tussen watermoleculen bij het reguleren van protontunneling.