ИК спектры полиагрегатов воды в криоматрице азота

Abstract

Предпринята попытка качественного определения состояния образующихся криоконденсатов воды в соответствии с их кластерным составом c использованием метода криоматричной изоляции. С этой целью проведено ИК спектрометрическое исследование тонких пленок криовакуумных конденсатов, образованных из смеси паров воды и азота в режиме совместной конденсации при температуре подложки Т = 16 К. Процентный состав воды в азоте в большинстве экспериментов составлял 5%. Парциальное давление воды в ходе экспериментов и толщину пленок устанавливали таким образом, чтобы в последующем можно было проводить сравнение с чистыми водяными пленками с одинаковой приведенной толщиной, выращенными при одном и том же давлении и температуре. В результате сравнения полученных ИК спектров с данными других авторов сделаны выводы о том, что в процессе совместной конденсации воды и азота образуются полиагрегаты (H₂O)n различного состава. В рассмотренном интервале концентраций большая часть полиагрегатов представляла собой димеры, присутствовали также полиагрегаты более высокого порядка, вплоть до гексамеров. Кроме того, наличие интенсивной полосы поглощения в диапазоне частот либрационных колебаний связано с присутствием в матрице азота микрокристаллитов воды. Предположительный циклический характер формирования кластеров позволил рассматривать их как зародыши кристаллической фазы. Параметры ближних порядков в образующихся полиагрегатах и микрокристаллитах могут во многом определять характер термостимулированных полиаморфных и полиморфных превращений в аморфной твердой воде.

Зроблено спробу якісного визначення стану кріоконденсатів води, що утворюються, відповідно до їх кластерного складу з використанням методу кріоматричної ізоляції. З цією метою проведене ІЧ спектрометричне дослідження тонких плівок кріовакуумних конденсатів, утворених із суміші парів води та азоту в режимі спільної конденсації при температурі підкладки Т = 16 К. Відсотковий склад води в азоті в більшості експериментів становив 5%. Парціальний тиск води в ході експериментів і товщину плівок установлювали таким чином, щоб надалі можна було проводити порівняння із чистими водяними плівками з однаковою наведеною товщиною, що вирощені при тому самому тиску й температурі. У результат і порівняння отриманих ІЧ спектрів з даними інших авторів зроблено висновки про те, що в процес і спільної конденсації води та азоту утворюються поліагрегати (H₂O)n різного складу. У розглянутому інтервалі концентрацій більша частина поліагрегатів являла собою димери, були присутні також поліагрегати більш високого порядку, аж до гексамерів. Крім того, наявність інтенсивної смуги поглинання в діапазоні частот лібраційних коливань пов’язана із присутністю в матриці азоту мікрокристалітів води. Можливий циклічний характер формування кластерів дозволив розглядати їх як зародки кристалічної фази. Параметри ближніх порядків у поліагрегатах та мікрокристалітах, що утворюються, можуть багато в чому визначити характер термостимульованих поліаморфних та поліморфних перетворень в аморфній твердій воді.

An attempt is made to determine qualitatively the state of water cryocondensates in terms of their cluster composition using cryomatrix isolation. We have performed IR-spectrometric studies of thin films of cryovacuum condensates, deposited from a water-N₂ mixture in the co-condensation regime at the substrate temperature T = 16 K. In most experiments the percentage of water in the mixture was 5%. The partial pressures of water during the experiments and the film thicknesses were adjusted to the values, which allowed a comparison of the mixture films with pure water films grown at the same pressures and temperatures, and hence having the same reduced thicknesses. The comparison of the obtained IR spectra with the other authors' data led us to the conclusion that polyaggregates (H₂O)n of varios compositions are formed during co-condensation of water and nitrogen. In the examined range of water concentrations most polyaggregates appear to be dimers, though other polyaggregates, up to hexamers, are also present. Moreover, the intense absorption band in the range of libration oscillations is interpreted as the presence of water microcrystallites in the nitrogen matrix. It is assumed that the formation of clusters is cyclic in character. Hence, clusters can be considered as nuclei of the crystalline phase. The short-range order parameters in the deposited polyaggregates and microcrystallites may largely determine the character of thermo-stimulated polyamorphous and polymorphous transitions in amorphous solid water.