Physcial Sciences Division Research Highlights

June 2007

Ammonia Molecules Straight Up

Ammonia

Ammonia molecules
Pacific Northwest National Laboratoryと南カリフォルニア大学では、新しい結果によって、水素結合の起源を明らかにすることに成功しました。 は、アンモニアのクラスターが古典的な線状水素結合によって結合されていることを突き止めた。 拡大図

結果。 水分子の集まりが跳ねたり、じゃれ合ったりする挙動は以前から理解されていましたが、科学者たちは、異なる挙動をすると考えられていたアンモニアが、隣接する分子の結合において水と同じ特性を持つことを立証したところです。

1980年代半ばから、科学者たちは、アンモニア分子が別のアンモニア分子と線状の水素結合を形成しているか、あるいはもっと複雑な配置に関与しているかを議論してきました。 パシフィック・ノースウェスト国立研究所と南カリフォルニア大学の研究者たちは、アンモニアのクラスターは古典的な線状水素結合によって結合していると判断しました。 アンモニアは、窒素原子に3つの小さな水素原子が結合したものである。 アンモニアクラスターは、アンモニア分子が水素結合によって結合したもので、従来の化学結合よりも弱い相互作用の一種である。

PNNLのSotiris Xantheas氏は、”分子のペアを超えて考慮する必要がある水とは異なり、アンモニアの相互作用は主にペアによって支配されている “と説明している。

アンモニアの気体や液体の挙動は、分子のペア間の相互作用によって支配されているが、固体のアンモニアの主な構成要素は、鋭角三角形に並んだ3つの分子である三量体である。 一方、液体の水や氷では、隣接する3つの水分子が鈍角またはもっと開いた三角形を形成する。

なぜそれが重要なのか。 水素結合とそれが形成するネットワークは、原油の精製からタンパク質の代謝までのプロセスを理解し制御する上で重要な役割を担っている。 水やアンモニアのクラスターに見られるような、様々な典型的な水素結合の基本的な性質を理解することは、触媒作用、汚染物質の運命や輸送、生物機能における重要な洞察につながると期待される。

方法。 研究チームは、高度に洗練された実験手法と化学理論の確かな理解を用いて、一連のエレガントな実験を行った。 南カリフォルニア大学では、絶対零度(-459°F)に近い状態に保たれたヘリウムの液滴の中に、2~4分子のアンモニアを入れた。 研究者たちは、レーザー光の吸収によって液滴からヘリウム原子が沸騰することを利用して、詳細なスペクトルを得ることができた。

PNNLでは、研究者たちが実験的研究で探したさまざまな大きさのアンモニアクラスターの構造と完全非調和振動スペクトルを計算した。 これらの計算は、実験的なスペクトルを特定のクラスター内のアンモニア分子間の特定の配置に割り当てるのに役立った。

慎重に分析した結果、研究チームは、アンモニア分子は別のアンモニア分子とほぼ線形の水素結合を形成し、別のアンモニア分子とさらに水素結合してもこのパターンを乱すことはないと判断しました。 実験の厳密さと計算された詳細なスペクトルデータから、研究チームは、環状3量体が固体アンモニアの主要な構成要素であると確信している。

今後の課題 今回の共同研究が完了したことで、研究者たちは、自分たちの技術と経験を活かして、水素結合性クラスターの分野における他の課題にも取り組んでいく予定である。

謝辞を申し上げます。 DOEのOffice of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, and BiosciencesとNational Science Foundationから資金提供を受けた。

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