Ela desempenha um papel fundamental na existência humana e é um componente importante do nosso universo, mas ainda há coisas que não entendemos sobre a água. Para resolver as lacunas de conhecimento, uma equipe colaborativa do Institute of Industrial Science, da Universidade de Tóquio, da Universidade de Kyoto e da Universidade de Tohoku investigou o transporte de elétrons através de uma única molécula de água em um C₆₀ cela. Suas descobertas são publicadas em Nano Letters .
Sistemas simples são frequentemente o melhor ponto de partida para determinar informações complexas. Uma única molécula de água é um desses sistemas. Composto por apenas três átomos, fornece um excelente modelo para estabelecer informações da mecânica quântica.

Introduzindo uma molécula de água em um C₆₀ gaiola - uma molécula em forma de bola de futebol feita inteiramente de átomos de carbono - dá H₂ O@C₆₀ e é uma excelente maneira de isolar a água para investigação. Os pesquisadores conseguiram isso usando "cirurgia molecular", que envolve abrir a gaiola, injetar água e fechá-la novamente.

H₂ O@C₆₀ foi então usado como um transistor de molécula única (SMT) montando um H₂ O@C₆₀ molécula no espaço muito pequeno - menos de 1 nm - entre dois eletrodos de ouro. Como a corrente elétrica passa apenas pela molécula isolada, o transporte de elétrons pode ser estudado com alta especificidade.

Um mapa de condutância, também conhecido como "diagrama de estabilidade de Coulomb", foi gerado para o H₂ O@C₆₀ SMT. Ele mostrou vários estados excitados induzidos por tunelamento para a molécula de água. Em contraste, o diagrama de estabilidade de Coulomb de um vazio C₆₀ gaiola SMT mostrou apenas dois estados excitados.

"Como contém dois átomos de hidrogênio, a água tem dois estados de spin nuclear diferentes:orto- e para-água. Na orto-água os spins nucleares do hidrogênio estão na mesma direção, enquanto na para-água eles são opostos um ao outro." explica o autor principal do estudo, Shaoqing Du. "Entender a transição entre esses dois tipos de água é uma importante área de pesquisa."

Os pesquisadores mediram espectros de tunelamento para o H₂ O@C₆₀ e, comparando os resultados com cálculos teóricos, foram capazes de atribuir os picos de condutância medidos a excitações rotacionais e vibracionais da molécula de água. Eles também investigaram H₂ O@C₆₀ usando espectroscopia terahertz e os resultados concordaram com os dados de espectroscopia de tunelamento.

Ambas as técnicas mostraram excitações rotacionais quânticas de orto e para-água simultaneamente. Isso demonstra que a única molécula de água transitou entre os dois isômeros nucleares (orto e para-água) dentro do período de tempo do experimento, que foi de aproximadamente um minuto.

“Nossas descobertas são uma importante contribuição para a compreensão da flutuação orto-para nas moléculas de água”, diz o autor correspondente do estudo, Kazuhiko Hirakawa. “Como a água desempenha um papel tão importante na química e na biologia, e até mesmo na compreensão do nosso universo, esperamos que nossas descobertas tenham um impacto amplo”.

O estudo, "Transporte de elétrons inelástico e flutuação orto-para da molécula de água em H₂ O@C60 Single Molecule Transistors", foi publicado em Nano Letters . + Explorar mais

Cientistas descobrem nova maneira de detectar conversão orto-para na água