Desempeña un papel fundamental en la existencia humana y es un componente importante de nuestro universo, sin embargo, todavía hay cosas que no entendemos sobre el agua. Para abordar las lagunas de conocimiento, un equipo de colaboración del Instituto de Ciencias Industriales, la Universidad de Tokio, la Universidad de Kyoto y la Universidad de Tohoku investigó el transporte de electrones a través de una sola molécula de agua en un C₆₀ jaula. Sus hallazgos se publican en Nano Letters .

Los sistemas simples suelen ser el mejor punto de partida para determinar información compleja. Una sola molécula de agua es uno de esos sistemas. Compuesto por solo tres átomos, proporciona un excelente modelo para establecer información mecánica cuántica.

Introducción de una molécula de agua en un C₆₀ jaula, una molécula con forma de balón de fútbol hecha completamente de átomos de carbono, da H₂ O@C₆₀ y es una excelente manera de aislar el agua para la investigación. Los investigadores lograron esto mediante "cirugía molecular", que consiste en abrir la jaula, inyectar agua y volver a cerrar la jaula.

H₂ O@C₆₀ luego se usó como un transistor de molécula única (SMT) montando un H₂ O@C₆₀ molécula en el espacio muy pequeño, menos de 1 nm, entre dos electrodos de oro. Debido a que la corriente eléctrica pasa solo a través de la molécula aislada, el transporte de electrones se puede estudiar con alta especificidad.

Se generó un mapa de conductancia, también conocido como "diagrama de estabilidad de Coulomb", para el H₂ O@C₆₀ SMT. Mostró múltiples estados excitados inducidos por túneles para la molécula de agua. Por el contrario, el diagrama de estabilidad de Coulomb de un C₆₀ vacío Cage SMT mostró solo dos estados excitados.

"Debido a que contiene dos átomos de hidrógeno, el agua tiene dos estados de espín nuclear diferentes:orto- y para-agua. En el orto-agua, los espines nucleares del hidrógeno están en la misma dirección, mientras que en el para-agua son opuestos entre sí". explica el autor principal del estudio, Shaoqing Du. "Comprender la transición entre estos dos tipos de agua es un área importante de investigación".

Los investigadores midieron los espectros de efecto túnel para el H₂ O@C₆₀ y, al comparar los hallazgos con los cálculos teóricos, pudieron atribuir los picos de conductancia medidos a las excitaciones rotacionales y vibratorias de la molécula de agua. También investigaron H₂ O@C₆₀ usando espectroscopía de terahercios y los resultados coincidieron con los datos de espectroscopía de efecto túnel.

Ambas técnicas mostraron excitaciones rotacionales cuánticas de orto y para agua simultáneamente. Esto demuestra que la única molécula de agua hizo la transición entre los dos isómeros nucleares (orto- y para-agua) dentro del marco de tiempo del experimento, que fue de aproximadamente un minuto.

"Nuestros hallazgos hacen una contribución importante a la comprensión de la fluctuación orto-para en las moléculas de agua", dice el autor correspondiente del estudio, Kazuhiko Hirakawa. "Debido a que el agua juega un papel tan importante en la química y la biología, e incluso en la comprensión de nuestro universo, esperamos que nuestros hallazgos tengan un impacto de gran alcance".

El estudio, "Transporte de electrones inelástico y fluctuación orto-para de la molécula de agua en H₂ O@C60 Single Molecule Transistors", se publicó en Nano Letters . + Explora más

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