把二聚水困在C70的“牢笼”中

材料牛注：水分子之间存在氢键使得它具有一些独特的性质，京都大学的科研工作者用富勒烯C70成功的获得了水的二聚体。为水的研究提供了进一步的拓展。

水有一些相当独特的性质。例如，水由于它的分子间存在氢键而具有一个异常高的溶沸点。 正因为有了氢键的存在使得分离两个水分子变得非常困难。 研究水的二聚物将会让研究人员对水的氢键网络有更深一步的了解。而且，前人的研究中已经在大气的水蒸汽里发现了以二聚体形式存在的水。

在之前的研究成果中，研究人员已经成功地在C60里面“困住”单个水分子。C60的结构是一个以碳为骨架的空心球，它的内部与外界环境是相互独立的。研究人员已经把金属原子、氮原子等具有高活性的原子成功地“困在”了C60的里面。但是C60的内部直径只有3.7个埃，里面的空间太小不足以容纳下二聚水。所以京都大学的由张锐、村田理尚、阿波连智子、若宮淳志、下赤卓史、长谷川健和村田靖次郎（Yasujiro Murata）教授组成的团队把研究重点放在C70上，它的结构像一个椭球体，最长的直径有4.6个埃。这样就解决了空间太小的问题。

张锐等人使用一种被称为分子手术的技术手段,将二聚水插入到C70当中。在“手术”过程当中先将C70开一个小孔，然后通过化学反应，将目标分子在极端条件下嵌入孔内，然后将孔合上，恢复C70原来的样子。其中最为关键的就是如何在C70上开一个合适的小孔，Rui Zhang等人想到了一种新的方法来打开C70这个椭球形的笼子。

在C70的结构当中,有两个活性位置，即α位和β位，这两个位置都适合烯烃加成。然而α位相对来说作用不大，所以研究人员把目光聚集在β位上，进行加成反应产生了更大的孔隙。曾经Zhang Rui等人相继通过断开C=C键成功地打开了足够大的孔隙。然后在9000个大气压以及120摄氏度的条件下将水分子“困在”了C70里面。

该研究团队可以通过两步法还原处理后的C70的结构，并且可以使用高效液相色谱法将装有水分子的C70与空心的C70区分开来。质子核磁共振和大气压化学电离质谱已经证实在C70中有单个水分子的存在。x射线衍射研究表明，笼内的水分子是偏离中心的，仍然有孔隙空间可用于填充额外水分子。

事实上, 张锐等人采用高效液相色谱法跟踪产品。质谱和核磁共振的研究提供了令人信服的证据证明，这是一个由C70制成的水二聚体“胶囊”。里面的二聚水有一个氢键，而且二聚水当中的两个分子之间的氢键采用与普通水分子之间的氢键不同的构象。此外,红外实验明确区分出了空的C70、有一个水分子的C70和有两个水分子的C70, 为研究该三种类型之间的差异做了进一步的铺垫。

该项研究成果提供了一个很好的导向，有助于在以后的研究当中理解水在一个确定的空间里面呈现的结构是什么样的。

参考链接：Water dimer captured inside a fullerene-C70

本文由编辑部王宇提供素材，陈露编译