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Jul 23, 2023

Svelare la dinamica dell'acqua e la struttura dell'acqua

23 agosto 2023 Questo articolo è stato rivisto in base al processo editoriale e alle politiche di Science X. Gli editori hanno evidenziato i seguenti attributi garantendo al tempo stesso la credibilità del contenuto:

23 agosto 2023

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dall'Università di Chiba

I complessi contenenti lantanidi sono composti importanti per la sofisticata lavorazione del combustibile nucleare e l'imaging medico. Inoltre, hanno spesso interessanti strutture cristalline simmetriche e dinamiche associate che conferiscono proprietà uniche per applicazioni pratiche. Il complesso lantanide a sette coordinate Ho(III) aqua-tris(dibenzoilmetano) o Ho-(DBM)3·H2O fu segnalato per la prima volta alla fine degli anni '60.

Ha una struttura tripla simmetrica con olmio (Ho) al centro di tre ligandi di dibenzoilmetano (DBM) a forma di elica e una molecola di acqua (H2O) legata a idrogeno ai ligandi. Sfortunatamente, la comprensione della dinamica molecolare (MD) di tali complessi di lantanidi è stata limitata a causa delle difficoltà nel descrivere le loro interazioni utilizzando il quadro MD classico.

Ciò ha motivato un team di ricercatori della Graduate School of Engineering dell'Università di Chiba, guidato dal professore associato Takahiro Ohkubo, a chiarire la struttura e la dinamica del complesso Ho-(DBM)3·H2O. Questo studio è stato pubblicato su Inorganic Chemistry ed è coautore del professore associato Hyuma Masu, del professor Keiki Kishikawa e del professore associato Michinari Kohri.

"I legami idrogeno tra la molecola d'acqua e i ligandi che circondano Ho sono considerati svolgere un ruolo importante nella formazione della struttura simmetrica del nuovo complesso lantanide. Dopo aver sintetizzato il suo singolo cristallo e i campioni sfusi, il passo logico successivo è stato quello di modellare questo complesso per testare questa ipotesi e comprenderne la struttura e le dinamiche", spiega il dottor Ohkubo.

Considerando i limiti dei campi di forza generali esistenti (una forma funzionale utilizzata per stimare le forze tra gli atomi) nel descrivere in modo soddisfacente le interazioni dei metalli lantanidi come l'Ho, i ricercatori hanno sviluppato nuovi parametri del campo di forza per condurre simulazioni MD classiche dell'Ho-( DBM)complesso 3·H2O. Hanno eseguito l'ottimizzazione strutturale e le fasi MD utilizzando calcoli ab initio basati sul metodo dello pseudopotenziale delle onde piane per creare dati di addestramento per lo sviluppo dei campi di forza.

Inoltre, il team ha messo a punto i parametri del campo di forza per le simulazioni in modo da riprodurre i dati ottenuti dai calcoli ab initio. Hanno convalidato il nuovo campo di forza così ottenuto utilizzando sia le informazioni sperimentali sulla struttura cristallina sia i dati teorici ab initio. La costante reticolare e le distanze atomiche attorno a Ho calcolate utilizzando i nuovi parametri del campo di forza si sono rivelate in buon accordo con le osservazioni della diffrazione dei raggi X da cristallo singolo.

Esaminando le proprietà vibrazionali dell'acqua nel complesso Ho-(DBM)3·H2O e confrontandole con quelle dell'acqua liquida, hanno osservato che il movimento vibrazionale dell'acqua nel complesso aveva una modalità caratteristica.

Ha avuto origine dal movimento rotatorio stazionario lungo l'asse c di Ho-(DBM)3·H2O. Sorprendentemente, le dinamiche dei legami idrogeno dell’acqua, inclusa la vita, nei complessi lantanidici a sette coordinate sono abbastanza simili a quelle dell’acqua sfusa, ad eccezione del movimento di librazione o alternativo. Questa nuova scoperta è contraria alle aspettative di base.

In sintesi, questa strategia innovativa di sviluppo dei parametri del campo di forza per l'esame MD classico svela il ruolo della dinamica dell'acqua in complessi come Ho-(DBM)3·H2O. Come spiega il dottor Ohkubo, "Questo approccio ci ha aiutato a comprendere la natura dei complessi metallici dei lantanidi con acqua e dei metalli attinidi con numeri di coordinazione elevati. In futuro, questa strategia potrebbe aprire la strada a simulazioni molecolari accurate di qualsiasi complesso metallico e previsioni della sua struttura e dinamica."