Los químicos de RIKEN han aislado una estructura esquiva que involucra dos moléculas de agua, que había sido predicha pero nunca observada. Este hallazgo podría tener implicaciones para una amplia gama de campos que van desde la astroquímica hasta la corrosión de metales. El artículo se publica en The Journal of Physical Chemistry Letters. .
Una partícula o fotón energético puede eliminar un electrón de una molécula de agua, creando un ion positivo (catión; H2 O + ) y un electrón. Esta ionización del agua puede desencadenar una cascada de otras reacciones con moléculas cercanas.
La ionización del agua desempeña un papel importante en los procesos biológicos y la química de la radiación, además de promover la corrosión en las interfaces entre el agua y los metales. Cómo se produce la ionización del agua es, por tanto, una cuestión crítica para los físicoquímicos.
Los cálculos predicen que después de la ionización de una molécula de agua, se formarán rápidamente dos isómeros de un ion cargado positivamente de un dímero de agua (dos moléculas de agua débilmente conectadas por un enlace débil). Un isómero (H3 O + ·OH) se ha observado y se forma cuando un protón se transfiere de una molécula de agua a otra.
El otro isómero tiene una estructura de medio enlace (o semienlazado) (H2 O·OH2 ) + , pero nunca ha sido aislado ni confirmado mediante mediciones espectroscópicas. Los cálculos sugieren que tiene una energía mayor que el dímero de transferencia de protones.
Ahora, Susumu Kuma del Laboratorio de Física Atómica, Molecular y Óptica de RIKEN y sus compañeros de trabajo han aislado ambos iones dímeros de agua atrapándolos en pequeñas gotas de helio frío. También utilizaron espectroscopia infrarroja para determinar sus estructuras.
Kuma y sus compañeros de trabajo utilizaron un ambiente ultrafrío para producir los isómeros. Las moléculas de agua en las gotas de helio se enfriaron rápidamente a medida que los átomos de helio se evaporaban de la superficie de la gota. Este proceso formó el isómero hemienlazado metaestable debido a su muy rápida estabilización dentro de las gotas frías.
Luego, Kuma y su equipo probaron la coexistencia de los dos isómeros utilizando métodos computacionales y espectroscópicos. Las firmas espectroscópicas de los iones moleculares eran casi idénticas a las de los iones desnudos, sin helio a su alrededor. "Este hallazgo indica que podemos comparar directamente las mediciones de iones desnudos con los resultados de cálculos químicos cuánticos", dice Kuma. "Esto facilita enormemente el análisis estructural de los dímeros."
El hallazgo ayudará a generar más estudios en este campo, predice Kuma. "El descubrimiento de los cationes de agua hemienlazados promoverá más estudios de eventos primarios que son importantes para comprender la química de la radiación del agua", afirma.
El equipo de Kuma pretende buscar otras estructuras que aún no han sido observadas. "Tenemos la intención de ampliar el tamaño de los cationes complejos de agua en las gotas de helio", dice Kuma. "Esperamos encontrar en los espectros estructuras químicas importantes, no observadas hasta ahora."
Más información: Arisa Iguchi et al, Aislamiento y caracterización espectroscópica infrarroja del catión dímero de agua hemienlazado en nanogotas de helio superfluido, The Journal of Physical Chemistry Letters (2023). DOI:10.1021/acs.jpclett.3c02150
Proporcionado por RIKEN
