離子在受限水分子環境中的團簇結構和超快動力學研究

《離子在受限水分子環境中的團簇結構和超快動力學研究》是依託陝西師範大學，由邊紅濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：離子在受限水分子環境中的團簇結構和超快動力學研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：邊紅濤
• 依託單位：陝西師範大學

項目摘要

水在自然界中廣泛存在，是各種生命賴以生存的重要物質。水科學一直是物理、化學、環境和生物相關領域前沿研究的熱點，水分子各種獨特的物理和化學性質跟水分子的氫鍵網路結構是密不可分的。然而在許多跟生命過程有關的生物體系中，水分子的氫鍵網路受到生物分子的隔斷而處於一種受限的環境，這種處於納米尺度的受限水分子表現出與體相水截然不同的性質。反膠束體系為我們研究受限水分子的結構和動力學提供了典型模型體系。本申請項目首次提出了利用振動能量傳遞和多維超快紅外光譜研究強電解質離子在受限水分子環境中的團簇結構，通過離子間振動能量傳遞速率以及振動耦合常數得到離子間距離信息，揭示離子在受限水分子環境中是否會有團簇結構存在以及離子在受限水分子環境中的結構信息。通過研究離子和反膠束體系親水、疏水基團間的振動能量傳遞，更為清晰的認識受限水分子環境中的結構和動力學，為更好的理解複雜生物體系中的電解質水溶液結構提供理論基礎。

結題摘要

本項目利用自主搭建的多維超快紅外光譜對凝聚相體系水分子的氫鍵交換、振動弛豫以及轉動動力學進行了系列研究，揭示了複雜體系特定離子及受限環境對水分子結構動力學的微觀作用信息。實驗上首次測量了反膠束受限體系不同抗衡離子對界面水分子的轉動動力學和振動弛豫動力學，研究表明水分子轉動時間常數按照Ca2+＞Na+＞K+＞Cs+順序減慢。基於對紅外探針陰離子數據的測量揭示了離子對（ion pairs）存在受限環境界面區域。這些結果對於從分子水平上理解陽離子Hofmeister效應有著重要的意義。利用超快二維紅外光譜研究了離子液體水溶液中水分子和BF4-陰離子的氫鍵交換動力學過程，結果表明受離子液體陽離子空間效應以及異質結構形成的影響，水分子和BF4-陰離子之間的氫鍵交換速率為19 ps，比NaBF4水溶液中的氫鍵交換慢了三倍。利用硫氰酸根陰離子作為紅外探針，研究了二甲基亞碸水溶液在不同濃度下的結構動力學，結果表明水分子和二甲基亞碸形成了特定的1:2的複合結構。系列研究表明硫氰酸根陰離子可以作為有效的紅外探針用於揭示凝聚相體系的微觀結構和動力學。本項目在國際重要學術期刊上發表學術論文10篇，5次受邀在國內學術會議上做報告。培養了4名碩士，其中1名碩士生獲得留學基金委公派留學項目赴美國攻讀博士學位。