Nano-solvation in Hydrogen-Bonded Clusters

Vann i flytende og fast form holdes sammen av hydrogenbindinger. Når et stoff løses i vann brytes noen av disse, samtidig med at disse vannmolekylene ordner seg rundt molekylene av det oppløste stoffet. Gjennom dette prosjektet har vi undersøkt denne prosessen. I stedet for å studere vandige løsninger, har vi studert klynger (klaser) av vannmolekyler. Slike klynger (nanodråper) består av et lite antall vannmolekyler, (H2O)n, det antallet n ligger mellom 1 og 1000, og klyngene er velegnete modeller av vandige løsninger når vi samtidig legger til ett molekyl av det løste stoffet (M), slik at klyngen får den kjemiske formelen M(H2O)n. Vi bestemmer den geometriske strukturen av slike klynger ved hjelp av massespektrometri, fotoelektronspektroskopi og kvantekjemiske beregninger. Vannklyngene framstilles enten ved dispergering (ved at en vandig løsning sprayes gjennom et tynt kapillærrør) eller ved adiabatisk ekspansjon av en gassblanding. De eksperimentelle undersøkelsen skjer i et vakuumkammer. Alkoholer (ROH) danner i likhet med vann hydrogenbindinger, og alkoholklynger, M(ROH)n, tilsvarer alkoholiske løsninger på nano-nivå. Ved å undersøke effekten av å gradvis addere ett og ett løsningsmolekyl til molekyler av det løste stoffet, vil forstår vi sammenhengen mellom molekylenes egenskaper i vakuum og deres egenskaper i løsning. I prosjektet har vi stilt og besvart følgende spørsmål: Hvilken geometrisk struktur har klyngene? Befinner molekyler av løst stoff seg inne i klyngen eller på overflaten? Hvilke forhold bestemmer hvor hurtig protoner migrerer i vann og i vannklynger? Hvordan påvirker solvatisering kjemisk reaktivitet? Hvordan påvirker ytre forhold (trykk temperatur, gasshastighet) klyngedannelse? Hvordan kan vi utvikle nye målemetoder for studier av klynger? Prosjektet har resultert i 16 publikasjoner i fagtidsskrifter, lønnet to stipendiater (ph.d. og postdoktor), ledet til omfattende internasjonalt samarbeid, og ikke minst gitt viktige svar på grunnleggende vitenskapelige spørsmål med relevans for teknologi, atmosfærens kjemi og klimamessige forhold.

Water-based clusters are elusive objects that play important roles in natural processes and particularly in the atmosphere. Moreover, as our understanding of the structure of the most important of all liquids, water, is still in the making, so is even mor e a fundamental understanding of water as a solvent of ions, molecules and protolytes. In this context, clusters may provide useful stepping stones, by allowing for a gradual transition from the molecule to a micrometer-sized drop. Equally convenient; it opens for investigations by gas-phase experimental techniques. This project adopts the very powerful approach of subjecting similar or even the same cluster systems to both local probing, by means of inner-shell electron spectroscopy (XPS), and to size-di fferentiated reactivity probing, by means of mass spectrometry (MS). The final trait of the project is the application of large-scale quantum chemical and dynamical modeling, in order to (i) obtain independent structural information of the present cluster systems, (ii) provide reaction enthalpies for evaporative process, to be compared to results from MS, and , most extensively, (iii) for accurate simulation of core-level spectra, thus significantly enhancing the interpretation of the experimental spectra by obtaining structural and stability information about the clusters to be studied experimentally. The project benefits from expertise in MS- and XPS-probing of molecular clusters that has been built up over the past decade in Oslo and Bergen, in additio n to a large research network. While the present project is planned in terms of instrumentation existing locally in Oslo and at the MAX-II synchrotron laboratory in Lund, we are preparing to build a new instrument with a mass spectrometric front end whi ch will make it possible to store and size-select clusters prior to spectroscopic measurement. If successful, this platform will allow for close scrutiny of critical questions that are bound to accompany the results