把二聚水困在C70的“牢籠”中

材料牛注：水分子之間存在氫鍵使得它具有一些獨特的性質，京都大學的科研工作者用富勒烯C70成功的獲得了水的二聚體。為水的研究提供了進一步的拓展。

水有一些相當獨特的性質。例如，水由于它的分子間存在氫鍵而具有一個異常高的溶沸點。 正因為有了氫鍵的存在使得分離兩個水分子變得非常困難。 研究水的二聚物將會讓研究人員對水的氫鍵網絡有更深一步的了解。而且，前人的研究中已經在大氣的水蒸汽里發現了以二聚體形式存在的水。

在之前的研究成果中，研究人員已經成功地在C60里面“困住”單個水分子。C60的結構是一個以碳為骨架的空心球，它的內部與外界環境是相互獨立的。研究人員已經把金屬原子、氮原子等具有高活性的原子成功地“困在”了C60的里面。但是C60的內部直徑只有3.7個埃，里面的空間太小不足以容納下二聚水。所以京都大學的由張銳、村田理尚、阿波連智子、若宮淳志、下赤卓史、長谷川健和村田靖次郎（Yasujiro Murata）教授組成的團隊把研究重點放在C70上，它的結構像一個橢球體，最長的直徑有4.6個埃。這樣就解決了空間太小的問題。

張銳等人使用一種被稱為分子手術的技術手段,將二聚水插入到C70當中。在“手術”過程當中先將C70開一個小孔，然后通過化學反應，將目標分子在極端條件下嵌入孔內，然后將孔合上，恢復C70原來的樣子。其中最為關鍵的就是如何在C70上開一個合適的小孔，Rui Zhang等人想到了一種新的方法來打開C70這個橢球形的籠子。

在C70的結構當中,有兩個活性位置，即α位和β位，這兩個位置都適合烯烴加成。然而α位相對來說作用不大，所以研究人員把目光聚集在β位上，進行加成反應產生了更大的孔隙。曾經Zhang Rui等人相繼通過斷開C=C鍵成功地打開了足夠大的孔隙。然后在9000個大氣壓以及120攝氏度的條件下將水分子“困在”了C70里面。

該研究團隊可以通過兩步法還原處理后的C70的結構，并且可以使用高效液相色譜法將裝有水分子的C70與空心的C70區分開來。質子核磁共振和大氣壓化學電離質譜已經證實在C70中有單個水分子的存在。x射線衍射研究表明，籠內的水分子是偏離中心的，仍然有孔隙空間可用于填充額外水分子。

事實上, 張銳等人采用高效液相色譜法跟蹤產品。質譜和核磁共振的研究提供了令人信服的證據證明，這是一個由C70制成的水二聚體“膠囊”。里面的二聚水有一個氫鍵，而且二聚水當中的兩個分子之間的氫鍵采用與普通水分子之間的氫鍵不同的構象。此外,紅外實驗明確區分出了空的C70、有一個水分子的C70和有兩個水分子的C70, 為研究該三種類型之間的差異做了進一步的鋪墊。

該項研究成果提供了一個很好的導向，有助于在以后的研究當中理解水在一個確定的空間里面呈現的結構是什么樣的。

參考鏈接：Water dimer captured inside a fullerene-C70

本文由編輯部王宇提供素材，陳露編譯