Phổ hồng ngoại độ phân giải cao tiết lộ những hiểu biết mới về liên kết hydro của hydro sunfua
Tác giả: Svenja Jäger, Đại học Ruhr-Bochum
Phổ hồng ngoại xa của H2S–H2S ở T = 0,37 K được tính bằng thế liên phân tử ab initio và hàm lưỡng cực. Nguồn: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53444-6
Thoạt nhìn, nước và phân tử có mùi hôi hydro sunfua dường như không có nhiều điểm chung. Tuy nhiên, khi đầu tư một chút năng lượng, một số điểm khác biệt sẽ biến mất.
Thoạt nhìn, viên đá trong nước ngọt của bạn và mùi salad trứng nổi tiếng của bà dường như không có nhiều điểm chung. Tuy nhiên, xét về mặt hóa học, các phân tử cơ bản là nước (H2O) và hydro sunfua (H2S) không khác nhau nhiều. Sự liên kết giữa hydro của một phân tử nước với oxy của một phân tử nước khác đã được nghiên cứu rất chi tiết.
Tuy nhiên, câu hỏi về việc liệu H2S lớn hơn có hoạt động tương tự hay không vẫn chưa được hiểu rõ. Một nghiên cứu mới của Bochum Cluster of Excellence "Ruhr Explores Solvation" (RESOLV) đã lấp đầy khoảng trống này. Nhóm nghiên cứu từ Hóa học Vật lý 2 tại Đại học Ruhr Bochum, Đức và các đồng nghiệp đã công bố những phát hiện của họ trên tạp chí Nature Communications vào ngày 5 tháng 11 năm 2024.
Nghiên cứu thực nghiệm của nhóm Bochum của Giáo sư Martina Havenith đã được bổ sung bởi các nghiên cứu lý thuyết của Giáo sư Joel Bowman từ Đại học Emory ở Atlanta và Giáo sư Ad van der Avoird từ Đại học Radboud ở Nijmegen.
H2S được coi là một trong những phân tử mang lưu huỳnh nguyên thủy nhất trong môi trường giữa các vì sao và là một phần thiết yếu của nhiều quá trình sinh học ở động vật có vú. Cộng đồng hóa học đã nghiên cứu nó bằng một số nghiên cứu hồng ngoại, nhưng vẫn còn một số điều không chắc chắn về hành vi của H2S.
Philipp Meyer và Svenja Jäger. Tín dụng: Yvonne Kasper
Phổ IR độ phân giải cao trong các giọt nano heli siêu lỏng
Kỹ thuật quang phổ được sử dụng để ghi lại các phân tử H2S khá độc đáo. Để thực hiện thí nghiệm, các phân tử H2S riêng lẻ được nhúng trong các giọt heli siêu lỏng bên trong một buồng chân không.
Bằng cách thay đổi lượng khí H2S trong buồng chân không, các nhà nghiên cứu Bochum là Svenja Jäger, Philipp Meyer và Jai Khatri đã có thể kiểm soát thống kê số lượng phân tử được các giọt heli thu thập và tối ưu hóa các điều kiện để trung bình, luôn có hai phân tử được thu thập cùng một lúc.
Các giọt được tạo thành từ heli siêu lỏng, có một số tính chất độc đáo so với chất lỏng thông thường. Một số đặc điểm đặc biệt đó là độ dẫn nhiệt rất cao, giúp các giọt và các phân tử nhúng của chúng gần với nhiệt độ tuyệt đối 0 Kelvin, độ trong suốt trên phạm vi quang phổ từ tia cực tím đến tia hồng ngoại xa và sự tương tác gần như không tồn tại của chất lỏng với các phân tử nhúng.
Ba đặc điểm đó rất quan trọng đối với hiệu suất của thí nghiệm, vì chúng cho phép các nhà khoa học nghiên cứu sự tương tác giữa hai phân tử H2S mà không có bất kỳ sự can thiệp nào từ các phân tử khác hoặc năng lượng nhiệt.
Điều này dẫn đến phổ IR có độ phân giải cao, không chỉ hiển thị các chuyển động rung động của dimer H2S mà còn cả sự quay và sự phân tách đường hầm của nó. Phân tách đường hầm mô tả sự phân tách các mức năng lượng do một rào cản năng lượng nhỏ giữa hai cấu trúc khác nhau của cùng một phân tử.
Nền tảng để hiểu rõ hơn về liên kết hydro
Những kết quả thực nghiệm đó sau đó được bổ sung bằng các phép tính lý thuyết, giúp có thể mô tả sự phân tách năng lượng của các phân tử H2S ở trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích. So với nước, người ta thấy rằng liên kết giữa các phân tử H2S mềm dẻo hơn ở trạng thái cơ bản. Tuy nhiên, khi một trong các phân tử bị kích thích, liên kết hydro trở nên rất giống với liên kết trong nước.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu có thể mô tả và chỉ định lại các tín hiệu rung động đã được các nhà hóa học khác công bố và đưa ra một thử nghiệm nhạy cảm cho các phương pháp tính toán tiên tiến. Các phương pháp đó được sử dụng để dự đoán tương tác của các phân tử khác nhau và để đảm bảo rằng các dự đoán của chúng là chính xác; chúng phải được so sánh với các thí nghiệm.
Việc nghiên cứu liên kết giữa các phân tử nhỏ như nước và trong trường hợp này là H2S, giúp tăng cường đáng kể sự hiểu biết về hóa học cơ bản và do đó cho phép phát triển các phép tính lý thuyết chính xác hơn cũng như hỗ trợ sự hiểu biết về các hệ thống hóa học phức tạp hơn.
