Улавливая молекулы воды в углеродные сферы и охлаждая их, ученые из университетов Саутгемптона, Ноттингема и Колумбийского университета в Нью-Йорке смогли проследить изменение формы (или изомера) молекул. Результаты этой работы могут однажды помочь повысить диагностические возможности МРТ.Молекулы воды могут существовать как один из двух изомеров, в зависимости от того, как ориентированы спины их двух атомов водорода: орто, когда ядерные спины параллельны друг другу, и пара, где спины антипараллельны. Ученые полагают, что любая данная молекула может переходить из орто- в параспиновые состояния и наоборот.
Этот процесс известен как преобразование ядерного спина.«В настоящее время не до конца понятны механизмы этого превращения, равно как и то, сколько времени требуется молекулам, чтобы превратиться из одного спинового изомера в другой», — сказал Сальваторе Мамоне, физик, получивший докторскую степень в Саутгемптонском университете, и ведущий автор JCP. бумага. «Чтобы изучить это, мы должны были выяснить, как уменьшить сильные межмолекулярные взаимодействия, которые ответственны за группировку молекул и снижение вращательной подвижности молекул воды».Ответ заключался в том, чтобы изолировать молекулы воды друг от друга, «заключив» их в фуллереновые (C60, также известные как бакиболлы) сферы.
Химические реакции используются для открытия дыры в сферах, куда могут быть введены молекулы воды, до того, как «клетки» закроются, с образованием комплекса, называемого H2O @ C60. «В конце этого синтетического препарата, получившего название« молекулярная хирургия », мы обнаруживаем, что от 70 до 90 процентов клеток заполнены, что дает нам значительное количество молекул воды для исследования», — сказал Мамоне. «Поскольку молекулы разделены клетками, существует большая свобода вращения, которая делает возможным наблюдение орто- и пара-изомеров».Фуллереновые клетки предотвращают замерзание молекул воды, а это означает, что атомы водорода продолжают вращаться, и преобразование все еще может происходить.В своем эксперименте исследователи быстро охладили отдельные образцы H2O @ C60 от 50 Кельвинов (минус 223 градусов Цельсия) до 5 К (минус 268 градусов Цельсия), а затем контролировали их сигнал ЯМР (ядерного магнитного резонанса) каждые несколько минут в течение нескольких дней.«Поскольку наблюдаемый сигнал ЯМР пропорционален количеству орто-воды в образце (пара-вода« ЯМР молчит »), мы можем отслеживать процентное содержание орто- и пара-изомеров в любое время и при любой температуре», — пояснил Мамон. «При 50 К мы обнаруживаем, что 75 процентов молекул воды находятся в орто, а при 5 К они становятся почти на 100 процентов парами.
Таким образом, мы знаем, что после быстрого скачка температуры равновесие восстанавливается путем преобразования орто в пара. — и мы видим эту конверсию в реальном времени ».В настоящее время исследовательская группа планирует изучить роль концентраций изомеров и температуры в процессе преобразования, преобразование пара-воды в орто («обратное преобразование»), как обнаруживать отдельные орто- и пара-молекулы воды на поверхности и вращение. изомеры в других молекулах с фуллереновыми каркасами.