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日本京都大学在富勒烯C70中封入2个水分子,观测水分子运动

时间:2016-03-26

【日经BP社报道】京都大学201639日宣布,成功地将水分子(H2O)封入到了碳原子呈球状结合在一起的富勒烯的一种——富勒烯C70的内部。该校称,这有助于查明水这种在化学现象及生命活动中为最重要物质的运动。这个研究成果被发表在《Nature Chemistry》上。(Synthesis of a distinct water dimer inside fullerene C70. Nature Chemistry, DOI: 10.1038/nchem.2464http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2464.html

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水在常温常压下为液体,而在0℃时则会结冰,这一性质源于水分子之间在被称作氢键的分子间相互作用下结合在一起的现象。但单个水分子以及由两个水分子键合的二聚体容易与其他物质结合到一起,因此,以前几乎没有对单独水分子实施观测的先例。而富勒烯拥有中空空间,在其内部封入金属及分子的内包富勒烯有望获得与中空富勒烯不同的物性。

此次京都大学在富勒烯C70中构筑了大小可让水分子通过的开口部,在内部插入水分子后按原样密封开口部,由此封入了水分子。另外,虽然以前已有研究人员在使用富勒烯C60的研究中成功实现了单个水分子的内包,而C70拥有比C60更大的内部空间,因此此次还成功封入了水分子二聚体。C60为正球形,而C70则为橄榄球形。

通过分析最终确认,在内包单个水分子时,无氢键的单个水分子在C70内部呈上下快速运动的状态。内包二聚体时,发现两个水分子之间存在氢键,该氢键处于快速的反复切断和再生的状态。这是全球首次获得没有外部氢键的水分子二聚体,有望推进基础研究领域取得更大进展。

关于此次确立的方法,从原理上来说,只要是同等大小的分子,便可内包到C70中,即使是常见的物质,也可实现孤立的单分子状态,由此发现新的物性。并且,还可利用内包的分子使C70的性质发生变化。例如,水分子具有电气双极性,因此有望提高有机薄膜太阳能电池的特性。另外,此次的方法还可应用于生理活性材料的开发,以及研究生命现象的探针分子。(特约撰稿人:工藤 宗介)