Клатратная клетка заставила молекулу водорода вращаться в одной плоскости

Американские физики изучили квантовую динамику молекулы водорода, зафиксированной внутри гидрохиноновой клатратной структуры. Оказалось, что анизотропный потенциал, который создается внутри молекулярной полости такого соединения, довольно сильно ограничивает поступательное и вращательное движение молекулы, фактически превращая его в плоское. Полученные результаты можно использовать, например, для изучения адсорбции водорода на плоские поверхности, сообщают ученые в Physical Review Letters.

Некоторые кристаллы с пористой структурой или органические молекулы, содержащие внутри себя достаточно объемные полости, способны образовывать клатраты — соединения включения, в которых внутрь поры такой молекулы-хозяина встраивается и закрепляется молекула-гость. Это приводит к образованию устойчивой структуры, в которой, однако, между гостем и хозяином нет химических связей. Одно из типичных соединений, способных образовать такой клатратный комплекс — это молекула гидрохинона, бензольное кольцо с двумя гидроксильными заместителями, расположенными с противоположных сторон молекулы. В качестве гостя в гидрохиноновых клатратах обычно выступают совсем небольшие молекулы: например метанол или даже водород, при этом эти соединения не только встраиваются в пору, но и стабилизирует всю структуру. Несмотря на то, что химически молекулы гостя и хозяина в клатрате не связаны, за счет более слабых взаимодействий движение молекул гостя внутри клатрата ограничено, что может повлиять и на его химические и физические свойства.

Американские физики под руководством Тимоти Стробела (Timothy A. Strobel) из Института Карнеги решили изучить, как влияет на возможное движение молекулы водорода структура такого клатрата, составленного из шести молекул гидрохинона. Этот комплекс примечателен тем, что он имеет выраженную анизотропию, то есть фактически немного приплюснут, а вандерваальсовы связи стабилизируют структуру немного сильнее, чем в других водородных клатратах, поэтому водород внутри этого комплекса становится чем-то похожим на водород, адсорбированный на плоскую металлическую поверхность. Исследование проводилось с помощью рамановской спектроскопии и неупругого рассеяния нейтронов. Изначальный синтез клатратных структур проходил при давлении в две тысячи атмосфер, после чего полученные соединения закалили, и все спектрометрические измерения проводились при низкой температуре, но уже при атмосферном давлении.

Из анализа пиков на спектрах поглощения, соответствующих переходам из одного квантового энергетического состояния в другое, ученые оценили энергию возможных вращательных и поступательных уровней молекулы водорода, которые и определяют ее квантово-механическое состояние внутри клатрата. При этом для водорода необходимо учитывать возможное существование двух спиновых форм: ортоводорода, в котором спины обоих ядер направлены в одну сторону, и параводорода, в котором спины ядер направлены в противоположные стороны. В первом случае для молекулы характерны вращательные квантовые состояния с четными номерами, во втором — с нечетными.

Оказалось, что, в отличие от других типов клатратных комплексов водорода (например на основе фуллеренов), движение молекулы, в первую очередь вращательное, оказывается очень сильно ограничено взаимодействием с гидроксильными группами гидрохинона. Это взаимодействие приводит к расщеплению вращательных энергетических уровней и повышению энергетического барьера при вращении почти в два раза по сравнению со свободным состоянием. Ученые отмечают, что особенности поведения молекулы водорода связаны с образованием анизотропного поля внутри клатрата и становится фактически двумерным, так что вращение можно описать с помощью модели плоского жесткого ротатора (то есть жесткого стержня, вращающегося в плоскости вокруг своего центра масс), которое описывает и поведение молекулы, адсорбированной на плоскую поверхность.

Результаты, полученные для молекулы водорода-1, физики сравнили с результатами для двухатомной другого изотопа водорода — дейтерия, D₂. В этом случае, пики сместились в область больших энергий из-за увеличения массы ядер, но качественно данные не изменились.

Ученые утверждают, что полученные ими данные могут использоваться в том числе для моделирования процессов адсорбции водорода на плоскую поверхность, образованную гидроксильными группами. Другая аналогичная изученным комплексам система — это двумерные каналы, например внутри слоистого кристалла, в которых подвижность и вращательное движение адсорбированных молекул водорода ограничено похожим анизотропным полем. По словам физиков, эти данные можно также использовать для разработки методик синтеза новых веществ, в том числе медицинского назначения.

В отдельных случаях водород может образовывать не только двухатомные молекулы, но и более сложные кластеры. Такие кластеры, например ионы H₃⁺ обычно существуют очень короткое время в условиях пониженной температуры и разреженных сред. В 2016 году ученым впервые удалось получить отрицательно заряженные кластеры, состоящие из большого количества атомов, например H₂₅^-, H₆₅^- и H₈₉^-.

Александр Дубов