Flaxande molekyler i vattenlösning
- Vätebindingsdynamik i NaClO4(aq)
Om texten är svårgenomtränglig, så missa inte
trailern
på SLAC-today.
Vad händer med en vattenmolekyl när vätebindningar mellan molekylerna bryts och bildas?
I ett fruktbart samspel mellan
vibrationsspektroskopi och datorsimuleringar
har vi visat hur vattenmolekyler roterar blixtsnabbt,
när nätverket av vätebindningar omlagras.
Specifikt har vi följt vattenmolekyler i NaClO4(aq) lösning som bryter en vätebindning
till vatten och binder till en ClO4- jon,
och kunnat visa hur dess O-H riktning ändras plötsligt( <50 fs) och dramatiskt ( θ≈50).
Vattnets unika egenskaper bestäms av det vätebindningsnätverk som håller samman molekylerna. Dynamiken gör att vattenmolekylerna växlar grannar och vattenmolekylernas omgivning ändras med tiden. Syftet med denna studie var att undersöka hur detta utbyte sker och därigenom öka förståelsen av processer i vattenlösning av betydelse för biologiska, geologiska och teknologiska tillämpningar.
Infraröd(IR) vibrationsspektroskopi är en kraftfull och väletablerad metod för att studera vätebindningar. IR spektrumet för NaClO4(aq) uppvisar två toppar i O-H sträckningsvibrationen. Från datorsimuleringar av molekyldynamiken kan dessa toppar tillskrivas O-H grupper i olika vätebindningsomgivningar: De som binder till vatten och de som binder till de negativa ClO4- jonerna. De två topparna i IR spektrumet för O-H sträckningsvibrationerna gör koncentrerad NaClO4(aq) lösning till ett lämpligt modellsystem för att studera vätebindningsdynamik.
I 2-dimensionell (2D) IR spektroskopi används ultrakorta laserpulser för att mäta frekvenskorrelationen mellan O-H vibrationer i systemet vid olika tidpunkter. Korrelationen mellan olika vibrationsfrekvenser innehåller information om mekanismen för hur vattenmolekyler förändrar sina vätebindningar. Genom att kontrollera även polarisationen av de olika laserpulserna, kan vi i den nuvarande 2DIR studien mäta hur molekylerna roterar när frekvensen ändras. Vattnets O-H grupp genomgår ett blixtsnabb vinkelhopp under själva utbytet av vätebindningar.
Datorsimuleringar av struktur, dynamik och vibrationsspektrum
Molekyldynamik(MD)simuleringar har sedan 1970-talet utvecklats för att studera vätskor. I dag kan komplicerade system som en koncentrerad NaClO4(aq) lösning beskrivas med en kombination av kvantmekanik och MD simuleringar, vilket ger en realistisk modell med molekylär upplösning. IR spektrumet kan beräknas direkt ur datorsimuleringen och vi kan analysera struktur och dynamik.
MD simuleringen bidrar med detaljer i mekanismen för hur vätebindningar bryts och bildas. För att analysera experimentet har vi även utvecklat en teoretisk model av vibrationsdynamiken, som bekräftar mekanismen som identifierats i simuleringarna. Vi får en molekylär tolkning av de tidskonstanter för utbytet och rotationen som ges av 2DIR experimentet. När avstånden till molekyler i omgivningen ändras induceras en plötslig rotation av O-H gruppen. För att fullborda processen roterar ochså ClO4- jonen. Delstegen i mekanismen för processen sammanfattas i filmsnutten ovan.
Den experimentella delen av arbetet har utförts av Minbiao Ji och Kelly J. Gaffney vid PULSE Institute, SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University , där man byggt upp utrustning för ultrasnabb vibrationsspektroskopi med IR strålning, medan molekyldynamiksimuleringarna är utförda vid NSC i Linköping och PDC vid KTH av Michael Odelius vid Stockholms Universitet.
Bakgrundsinformation
Studien har från svensk sida möjliggjorts av ekonomiskt stöd från Carl Tryggers stiftelse, Magnus Bergvalls stiftelse och veternskapsrådet, samt datortid via SNIC - Swedish National Infrastructure for Computing.
På hemsidan för SLAC finns ett lättillgängligt videoinslag.
Den som vill veta mer i detalj
kan läsa Fysikums nyhetsbrev,
eller originalstudien
M. Ji and M. Odelius and K. J. Gaffney,
Large Angular Jump Mechanism Observed for Hydrogen Bond Exchange in Aqueous Perchlorate Solution,
Science , 328, 1003 (2010) .
tillgänglig on-line på tidskriftens hemsida.
För ytterligare frågor kontakta undertecknad
Michael Odelius Hemsida: http://www.fysik.su.se/~odelius/ E-mail: odelius@fysik.su.se Tel: 08-55378713 Mobil: 073-3996260