The birth and evolution of solvated electrons in the water

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作者
Fabio Novelli,Kaixuan Chen,Adrian Buchmann,Thorsten Ockelmann,Claudius Hoberg,Teresa Head-Gordon,Martina Havenith
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (8)
标识
DOI:10.1073/pnas.2216480120
摘要

The photo-induced radiolysis of water is an elementary reaction in biology and chemistry, forming solvated electrons, OH radicals, and hydronium cations on fast time scales. Here, we use an optical-pump terahertz-probe spectroscopy setup to trigger the photoionization of water molecules with optical laser pulses at ~400 nm and then time-resolve the transient solvent response with broadband terahertz (THz) fields with a ~90 fs time resolution. We observe three distinct spectral responses. The first is a positive broadband mode that can be attributed to an initial diffuse, delocalized electron with a radius of (22 ± 1) Å, which is short lived (<200 fs) because the absorption is blue-shifting outside of the THz range. The second emerging spectroscopic signature with a lifetime of about 150 ps is attributed to an intermolecular mode associated with a mass rearrangement of solvent molecules due to charge separation of radicals and hydronium cations. After 0.2 ps, we observe a long-lasting THz signature with depleted intensity at 110 cm −1 that is well reproduced by ab initio molecular dynamics. We interpret this negative band at 110 cm −1 as the solvent cage characterized by a weakening of the hydrogen bond network in the first and second hydration shells of the cavity occupied by the localized electron.
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