Time-resolved terahertz–Raman spectroscopy reveals that cations and anions distinctly modify intermolecular interactions of water

化学 溶剂化 分子间力 氢键 化学物理 拉曼光谱 分子 离子 溶剂化壳 分子动力学 光谱学 计算化学 有机化学 量子力学 光学 物理
作者
Vasileios Balos,Naveen Kumar Kaliannan,Hossam Elgabarty,Martin Wolf,Thomas D. Kühne,Mohsen Sajadi
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:14 (9): 1031-1037 被引量:12
标识
DOI:10.1038/s41557-022-00977-2
摘要

The solvation of ions changes the physical, chemical and thermodynamic properties of water, and the microscopic origin of this behaviour is believed to be ion-induced perturbation of water's hydrogen-bonding network. Here we provide microscopic insights into this process by monitoring the dissipation of energy in salt solutions using time-resolved terahertz-Raman spectroscopy. We resonantly drive the low-frequency rotational dynamics of water molecules using intense terahertz pulses and probe the Raman response of their intermolecular translational motions. We find that the intermolecular rotational-to-translational energy transfer is enhanced by highly charged cations and is drastically reduced by highly charged anions, scaling with the ion surface charge density and ion concentration. Our molecular dynamics simulations reveal that the water-water hydrogen-bond strength between the first and second solvation shells of cations increases, while it decreases around anions. The opposite effects of cations and anions on the intermolecular interactions of water resemble the effects of ions on the stabilization and denaturation of proteins.
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