О стабильности нанокластеров воды и тяжелой воды в криоматрице азота

Abstract

Проведенные ранее исследования свойств криоконденсированных пленок слабых двухкомпонентных растворов этанола в азоте показали, что незначительное увеличение температуры твердого азота, задолго до его сублимации, приводит к изменениям в колебательном спектре этанола. Данная статья является продолжением этих исследований и направлена на изучение свойств тонких пленок криовакуумных конденсатов воды и тяжелой воды в слабых растворах с азотом. Измерения проводились в температурном диапазоне от 12 до 40 К, давление в вакуумной камере составляло менее 5·10⁻⁸ Торр. Концентрация воды и тяжелой воды в азоте варьировалась в диапазоне 0,5–3%. На основании анализа колебательных спектров сделано предположение, что структура двухкомпонентной пленки представляет собой систему полиагрегатов. Повышение температуры матрицы приводит к трансформациям в этих полиагрегатах с образованием более устойчивых форм, что демонстрируется изменениями в тонкой структуре рассматриваемых полос. Наличие полос поглощения, частоты которых соответствуют существованию мономеров и димеров воды в матрице азота, объясняется тем, что часть молекул воды, формирующих полиагрегаты, могут быть не объединены по водородным связям с соседними молекулами, образуя разорванные цепочки. Тем самым они формируют совокупность квазисвободных молекул с соответствующими этим состояниям полосами поглощения. Предполагается, что эти несвязанные квазисвободные молекулы преимущественно расположены в приповерхностной зоне кластеров.

Дослідження властивостей кріоконденсованих плівок слабких двокомпонентних розчинів етанолу в азоті, що проведено раніше, показали, що незначне збільшення температури твердого азоту, задовго до його сублімації, призводить до змін в коливальному спектрі етанолу. Ця стаття є продовженням цих досліджень і спрямована на вивчення властивостей тонких плівок кріовакуумних конденсатів води і важкої води в слабких розчинах з азотом. Вимірювання проводилися в температурному діапазоні від 12 до 40 К, тиск у вакуумній камері складав менше 5·10⁻⁸ Торр. Концентрація води і важкої води в азоті варіювалася в діапазоні 0,5–3%. На підставі аналізу коливальних спектрів зроблено припущення, що структура двокомпонентної плівки є системою поліагрегатів. Підвищення температури матриці призводить до трансформацій в цих поліагрегатах з утворенням стійкіших форм, що демонструється змінами в тонкій структурі даних смуг. Наявність смуг поглинання, частоти яких відповідають існуванню мономерів і димерів води в матриці азоту, пояснюється тим, що частина молекул води, які формують поліагрегати, можуть бути не об'єднані по водневих зв'язках з сусідніми молекулами, утворюючи розірвані ланцюжки. Тим самим вони формують сукупність квазівільних молекул зі смугами поглинання, що відповідають цим станам. Передбачається, що ці незв'язані квазівільні молекули переважно розташовані в приповерхневій зоні кластерів.

Earlier studies of the properties of cryocondensed films of weak solutions of ethanol in nitrogen have shown that a slight increase in the temperature of solid nitrogen, long before its sublimation, leads to changes in the vibrational spectrum of ethanol. This article is a continuation of the studies mentioned and is aimed at exploring the properties of thin films of cryovacuum condensates of water and heavy water in dilute solutions with nitrogen. The measurements were carried out in a temperature range of 12 to 40 K, the pressure in the vacuum chamber was less than 5·10⁻⁸ Torr. The concentration of water and heavy water in nitrogen was varied in the range from 0.5 to 3%. Based on the analysis of the vibrational spectra, it is assumed that the structure of a two-component film is a system of polyaggregates. An increase in the temperature of the matrix leads to transformations of these polyaggregates into more stable states, as the changes in the fine structure of the bands demonstrate. The presence of absorption bands whose frequencies correspond to the existence of monomers and dimers of water in the nitrogen matrix can be due to the fact that part of the water molecules forming polyaggregates may not have hydrogen bonds with neighboring molecules and form broken chains. Thus, they form a set of quasi-free molecules with the corresponding absorption bands of these states. It is assumed that these unbound quasi-free molecules are mainly located in the surface area of the clusters.