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Nova pesquisa usando espectroscopia de fosforescência mostra como pequenos compostos orgânicos como o etilenoglicol rompem a estrutura cristalina do gelo de água, oferecendo insights sobre as propriedades físicas e químicas do gelo. Crédito: Equipe do Prof. Guoqing Zhang
Uma nova pesquisa usando espectroscopia de fosforescência mostra como pequenos compostos orgânicos como o etilenoglicol rompem a estrutura cristalina do gelo de água, oferecendo insights sobre as propriedades físicas e químicas do gelo.
Acredita-se que o gelo tenha desempenhado um papel crucial no surgimento da vida. Uma razão é que moléculas orgânicas podem ser incorporadas nas lacunas entre a rede cristalina por moléculas de água dispostas ordenadamente, levando à concentração de compostos orgânicos. No entanto, os métodos atuais para estudar moléculas orgânicas no gelo, como a espectroscopia Raman e infravermelha, são principalmente limitados a técnicas espectroscópicas baseadas em absorção, restringindo a sensibilidade da medição.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Guoqing Zhang, Prof. Shiyong Liu, Prof. Xiaoguo Zhou e o pesquisador Xuepeng Zhang da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) desenvolveu um método de detecção de microestruturas de água-gelo usando sondas fosforescentes orgânicas e espectroscopia de fosforescência. Seus trabalhos foram publicados em Produtos químicos anunciados.
Um novo método para analisar moléculas orgânicas do gelo
A equipe propôs um método baseado em emissão para estudar moléculas orgânicas em gelo de água. Eles usaram o estado de hidratação de uma sonda fosforescente, iodeto de acridínio (ADI), para indicar as mudanças microestruturais do gelo de água (ou seja, cristalino vs. vítreo). As microestruturas do gelo de água podem ser significativamente ditadas por uma quantidade vestigial de moléculas orgânicas solúveis em água. Especificamente, se o gelo de água se mantiver amorfo em baixas temperaturas, o AD+ cação e eu– ânion da sonda ADI será separado por moléculas de água ligadas, exibindo fosforescência de longa duração e um brilho residual amarelo-esverdeado visível. Enquanto no gelo cristalino ordenado, as moléculas da sonda ADI se agregam, induzindo fosforescência vermelha de curta duração através do pesado átomo efeito do iodo.
As imagens de espectroscopia Raman e crioSEM do sistema aquoso ADI. Crédito: Equipe do Prof. Guoqing Zhang
Análise espectral melhora a compreensão das microestruturas do gelo
Os espectros de emissão revelaram mudanças espectroscópicas distintas em solução aquosa de ADI mediante a adição de pequenas moléculas de etilenoglicol (EG) e polímeros de EG monodispersos (PDI=1). A adição de quantidades vestigiais de EG (0,1%) leva ao surgimento da banda de fluorescência em torno de 480 nm, acompanhada por uma banda de fosforescência mais intensa com progressões vibrônicas bem resolvidas em 555, 598 e 648 nm. Os resultados espectrais indicaram que a adição de EG levou à transformação de moléculas de ADI em gelo de água de agregados não dissolvidos para estados de íons dissolvidos.
Verificando descobertas de fosforescência com técnicas avançadas de imagem
Para corroborar as conclusões da espectroscopia de fosforescência, imagens de microscopia eletrônica de varredura de baixa temperatura (Cryo-SEM) mostraram que a adição de traços de EG no gelo de água contendo ADI resultou em áreas locais com microestruturas porosas. Enquanto isso, espectros Raman de baixa temperatura (LT-Raman) confirmaram que a adição de traços de EG foi suficiente para causar uma mudança na vibração OH do gelo de água de um estado cristalino de baixa frequência para um estado vítreo de alta frequência.
Implicações para estudos de interação água-gelo-compostos orgânicos
Este estudo descobriu que adicionar quantidades vestigiais de compostos orgânicos moleculares pequenos ou grandes à água pode inibir significativamente a ordem cristalina do gelo de água usando espectroscopia de fosforescência mais conveniente e sensível. Além disso, a espectroscopia de fosforescência também pode revelar diferenças morfológicas em microestruturas de gelo de água quando compostos orgânicos vestigiais com estruturas diferentes e mesma concentração são adicionados à água, o que é consistente com a espectroscopia Raman e a microscopia eletrônica de varredura, fornecendo um novo meio técnico para estudar interações água-gelo-compostos orgânicos em menor concentração e faixa de temperatura mais ampla.
Referência: “Microestruturas de água e gelo e estados de hidratação do iodeto de acridínio estudados por espectroscopia de fosforescência” por Hongping Liu, Hao Su, Ning Chen, Jie Cen, Jiajia Tan, Baicheng Zhang, Xiaoyu Chen, Aoyuan Cheng, Shengquan Fu, Xiaoguo Zhou, Shilin Liu, Xuepeng Zhang, Shiyong Liu, Yi Luo e Guoqing Zhang, 11 de abril de 2024, Edição Internacional de Química Agregada.
DOI: 10.1002/anie.202405314