水分子以兩種不同的形式存在，具有幾乎相同的物理性質(zhì)。研究人員第一次成功地將這兩種形式分開，表明它們可以表現(xiàn)出不同的化學(xué)反應(yīng)性。這些結(jié)果由巴塞爾大學(xué)的研究人員及其在漢堡的同事在Nature Communications的科學(xué)雜志上報道。

從化學(xué)角度來看，水是一個分子，其中一個氧原子與兩個氫原子相連。眾所周知，水在分子水平上以兩種不同的形式(異構(gòu)體)存在。不同之處在于兩個氫原子的核自旋的相對取向。取決于自旋是在相同方向還是相反方向上對齊，一個是指正水或副水。

分選水分子的實驗

由巴塞爾大學(xué)化學(xué)系Stefan Willitsch教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研究了這兩種水在化學(xué)反應(yīng)性方面的差異 - 它們發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的能力。兩種異構(gòu)體具有幾乎相同的物理性質(zhì)，這使得它們的分離特別具有挑

這種分離是通過漢堡自由電子激光科學(xué)中心的JochenKüpper教授開發(fā)的基于電場的方法實現(xiàn)的。使用這種方法，研究人員能夠啟動“預(yù)先分選”的水異構(gòu)體和保持在陷阱中的超冷二氮鎓離子(“質(zhì)子化氮”)之間的受控反應(yīng)。在此過程中，二氮烯鎓離子將其質(zhì)子轉(zhuǎn)移到水分子中。在星際空間的化學(xué)中也觀察到這種反應(yīng)。

增加反應(yīng)性

結(jié)果表明，副水的反應(yīng)比鄰水快約25%。這種效應(yīng)可以用核旋轉(zhuǎn)來解釋，這也影響水分子的旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，不同的吸引力在反應(yīng)伙伴之間起作用。副水能夠比鄰位形式更強(qiáng)烈地吸引其反應(yīng)配偶體，這導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)性增加。計算機(jī)模擬證實了這些實驗結(jié)果。

在他們的實驗中，研究人員在接近絕對零點(約-273°C)的極低溫度下使用分子。這些是精確制備單個量子態(tài)并確定分子的能量含量并在它們之間引起受控反應(yīng)的理想條件。Willitsch解釋了實驗方法：“能夠更好地控制化學(xué)反應(yīng)中涉及的分子的狀態(tài)，可以更好地研究和理解反應(yīng)的潛在機(jī)制和動力學(xué)。”