Elle joue un rôle fondamental dans l'existence humaine et est une composante majeure de notre univers, mais il y a encore des choses que nous ne comprenons pas à propos de l'eau. Pour combler les lacunes dans les connaissances, une équipe collaborative de l'Institut des sciences industrielles, de l'Université de Tokyo, de l'Université de Kyoto et de l'Université de Tohoku a étudié le transport d'électrons à travers une seule molécule d'eau dans un C₆₀ cage. Leurs découvertes sont publiées dans Nano Letters .

Les systèmes simples sont souvent le meilleur point de départ pour déterminer des informations complexes. Une seule molécule d'eau est un tel système. Composé de seulement trois atomes, il fournit un excellent modèle pour établir des informations sur la mécanique quantique.

Introduction d'une molécule d'eau dans un C₆₀ cage—molécule en forme de ballon de football composée entièrement d'atomes de carbone—donne du H₂ O@C₆₀ et est un excellent moyen d'isoler l'eau pour enquête. Les chercheurs y sont parvenus en utilisant la "chirurgie moléculaire", qui consiste à ouvrir la cage, à injecter de l'eau et à refermer la cage.

H₂ O@C₆₀ a ensuite été utilisé comme transistor à molécule unique (SMT) en montant un H₂ O@C₆₀ molécule dans le très petit espace - moins de 1 nm - entre deux électrodes d'or. Comme le courant électrique ne traverse alors que la molécule isolée, le transport d'électrons peut être étudié avec une grande spécificité.

Une carte de conductance, également connue sous le nom de "diagramme de stabilité de Coulomb", a été générée pour le H₂ O@C₆₀ SMT. Il a montré plusieurs états excités induits par l'effet tunnel pour la molécule d'eau. En revanche, le diagramme de stabilité de Coulomb d'un C₆₀ vide cage SMT n'a montré que deux états excités.

« Parce qu'elle contient deux atomes d'hydrogène, l'eau a deux états de spin nucléaire différents :ortho- et para-eau. Dans l'ortho-eau, les spins nucléaires de l'hydrogène sont dans la même direction, tandis que dans la para-eau, ils sont opposés l'un à l'autre. explique l'auteur principal de l'étude, Shaoqing Du. "Comprendre la transition entre ces deux types d'eau est un axe de recherche important."

Les chercheurs ont mesuré les spectres d'effet tunnel pour le H₂ O@C₆₀ système et, en comparant les résultats avec des calculs théoriques, ont pu attribuer les pics de conductance mesurés aux excitations rotationnelles et vibrationnelles de la molécule d'eau. Ils ont également étudié H₂ O@C₆₀ en utilisant la spectroscopie térahertz et les résultats concordaient avec les données de spectroscopie à effet tunnel.

Les deux techniques ont montré simultanément des excitations rotationnelles quantiques de l'eau ortho et para. Cela démontre que la seule molécule d'eau a effectué la transition entre les deux isomères nucléaires (ortho- et para-eau) dans le délai de l'expérience, qui était d'environ une minute.

"Nos découvertes apportent une contribution importante à la compréhension de la fluctuation ortho-para dans les molécules d'eau", déclare l'auteur correspondant de l'étude, Kazuhiko Hirakawa. "Parce que l'eau joue un rôle si important dans la chimie et la biologie, et même dans la compréhension de notre univers, nous nous attendons à ce que nos découvertes aient un impact de grande envergure."

L'étude "Transport inélastique d'électrons et fluctuation ortho−para de la molécule d'eau dans H₂ O@C60 Single Molecule Transistors", a été publié dans Nano Letters . + Explorer plus loin

Les scientifiques découvrent une nouvelle façon de détecter la conversion ortho-para dans l'eau