Молекулы воды существуют в двух формах или «изомерах», орто и пара, которые имеют разные состояния ядерного спина. В орто-воде спины ядер параллельны друг другу, а в пара-воде спины антипараллельны. Преобразование орто-воды в пара-воду и наоборот актуально для широкого круга научных областей от ядерного магнитного резонанса (ЯМР) до астрофизики.Хотя возможно разделить орто- и пара-молекулы воды, их трудно изучать в объемной воде, потому что быстрый протонный обмен и затрудненное вращение молекул затрудняют прямое наблюдение двух спиновых изомеров.
Чтобы помочь наблюдать это превращение в объемной воде, исследовательская группа из Саутгемптона поместила отдельные молекулы воды в углеродные клетки C60 или «бакиболлы» для получения супрамолекулярного эндофуллерена H2O @ C60. Команда ученых значительно увеличила выход этого химического синтеза, что позволило им изучить большие количества этого вещества.Углеродные клетки предотвращают замерзание молекул воды и удерживают их отдельно, так что они продолжают свободно вращаться при очень низких температурах, что позволяет изучать превращение.Поскольку вода имеет электрический дипольный момент (мера разделения положительных и отрицательных электрических зарядов), исследователи измерили диэлектрическую проницаемость H2O @ C60 при криогенных температурах и обнаружили, что она уменьшается по мере преобразования воды из орто в пара в соответствии с квантовая теория и предыдущие исследования ЯМР.
Доктор Бенно Мейер, старший научный сотрудник по химии и ведущий автор, говорит: «Объемная диэлектрическая проницаемость H2O @ C60 зависит от спинового изомерного состава инкапсулированных молекул воды. Наблюдаемое изменение общей диэлектрической проницаемости во времени при 5K, поскольку инкапсулированная вода превращается из орто в пара-изомер, это происходит из-за изменения молекулярной поляризуемости при спиновой конверсии.
«Эта работа является результатом длительного и плодотворного сотрудничества профессоров Малькольма Левитта и Ричарда Уитби, которые в течение нескольких лет изучали орто-пара-конверсию на молекулярном уровне».