Sum-frequency vibrational spectroscopy on water interfaces: Polar orientation of water molecules at interfaces

Chemical Reviews

Volumn 106, Issue 4, 2006, Pages 1140-1154

  Shen, Yuen Ron ^a   Ostroverkhov, Victor ^a,b  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b GE GLOBAL RESEARCH   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

MOLECULAR ORIENTATION; MOLECULAR VIBRATIONS; SPECTROSCOPIC ANALYSIS; WATER;

SUM-FREQUENCY VIBRATIONAL SPECTROSCOPY; WATER INTERFACES; WATER MOLECULES;

PHASE INTERFACES;

EID: 33646392509     PISSN: 00092665     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cr040377d     Document Type: Review

References (123)

1. Ball, P. Nature 2003, 423, 25.
2. Israelachvili, J.; Wennerstrom, H. Nature 1996, 379, 219.
3. Water. A Comprehensive Treatise; Franks, F., Ed.; Plenum Press: New York, 1979; Vol. 1-6.
4. Mitsui, T.; Rose, M. K.; Fomin, E: Ogletree, D. E: Salmeron, M. Science 2002, 297, 1850.
5. Cerda, J.; Michaelides, A.; Bocquet, M. L.; Feibelman, P. J.; Mitsui, T.; Rose, M.; Fomin, E; Salmeron, M. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, No. 116101.
6. Nano-Surface Chemistry; Rosoff, M., Ed.; Marcel Dekker: New York, 2002.
7. Tyrrell, J. W. G.; Attard, P. Phys. Rev. Lett. 2001, 8717, No. 176104.
8. Ghosal, S.; Hemminger, J. C.; Bluhm, H.; Mun, B. S.; Hebenstreit, E. L. D.; Ketteler, G.; Ogletree, D. F.; Requejo, F. G.; Salmeron, M. Science 2005, 307, 563.
9. Pershan, P. S. Physica A 1993, 200, 50.
10. Toney, M. F.; Howard, J. N.; Richer, J.; Borges, G. L.; Gordon, J. G.; Melroy, O. R.; Wiesler, D. G.; Yee, D.; Sorensen, L. B. Nature 1994, 368, 444.
11. Wilson, K. R.; Rude, B. S.; Catalano. T.; Schaller, R. D.; Tobin. J. G.; Co, D. T.; Saykally, R. J. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 3346.
12. Wilson, K. R.; Schaller, R. D.; Co, D. T.; Saykally. R. L; Rude, B. S.; Catalano, T.; Bozek, J. D. J. Chem. Phys. 2002, 117, 7738.
13. Wilson, K. R.; Rude, B. S.; Smith, J.; Cappa, C.; Co, D. T.; Schaller, R. D.; Larsson. M.; Catalano, T.; Saykally, R. J. Rev. Sci. Instrum. 2004, 75, 725.
14. Reedijk, M. E; Arsic, J.; Hollander, F. F. A.; de Vries, S. A.; Vlieg, E. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, No. 066103.
15. Jensen. T. R.; Jensen, M. O.; Reitzel, N.; Balashev, K.; Peters, G. H.; Kjaer, K.; Bjornholm, T. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, No. 086101.
16. Steitz, R.; Gutberlet, T.; Hauss, T.; Klosgen, B.; Krastev, R.; Schemmel, S.; Simonsen, A. C.; Findenegg, G. H. Langmuir 2003, 19, 2409.
17. Schwendel, D.; Hayashi. T.; Dahint, R.; Pertsin. A.; Grunze, M.; Steitz, R.; Schreiber, F. Langmuir 2003, 19, 2284.
18. Shen, Y. R. Nature 1989, 337, 519.
19. Shen, Y. R. In Frontier in Laser Spectroscopy; Hansch, T. W., Inguscio, M., Eds.; North-Holland: Amsterdam, 1994.
20. Miranda, P. B.; Shen. Y. R. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 3292.
21. Eisenthal, K. B. Chem. Rev. 1996, 96, 1343.
22. Richmond. G. L. Chem. Rev. 2002, 102, 2693.
23. Du, Q.; Superfine, R.; Freysz, E.; Shen. Y. R. Phys. Rev. Lett. 1993, 70, 2313.
24. Du, Q.; Freysz, E.; Shen, Y. R. Science 1994, 264, 826.
25. Du, Q.; Freysz, E; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 1994, 72, 238.
26. Shultz, M. J.; Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Simonelli, D. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 5313.
27. Liu, D. F.; Ma, G.; Levering, L. M.; Allen, H. C. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 2252.
28. Kim, G.; Gurau, M.; Kim, J.; Cremer, P. S. Langmuir 2002, 18, 2807.
29. Nihonyanagi, S.; Shen, Y.; Uosaki, K.; Dreesen, L.: Humbert, C.; Thiry, P.; Peremans, A. Surf. Sci. 2004, 573, 11.
30. Ostroverkhov, V.; Waychunas. G. A.; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, No. 046102.
31. Frenkel, J. Kinetic Theory of Liquids; Dover: New York, 1955.
32. Chemistry and Physics of Interfaces I; Ross, S., Ed.; American Physical Society Publications: Washington, DC, 1965.
33. Lee, C. Y.; McCammon, J. A.; Rossky, P. J. J. Chem. Phys. 1984, 80, 4448.
34. Rossky, P. J.; Lee, S. H. Chem. Scr. 1989, 29A, 93.
35. Lee, S. H.; Rossky, P. J. J. Chem. Phys. 1994, 100, 3334.
36. Benjamin, I. Phys. Rev. Lett. 1994, 73, 2083.
37. Knipping, E. M.; Lakin, M. J.; Foster. K. L.; Jungwirth, P.; Tobias, D. J.; Gerber, R. B.; Dabdub, D.; Finlayson-Pitts. B. J. Science 2000, 288, 301.
38. Morita, A.; Hynes, J. T. Chem. Phys. 2000, 258, 371.
39. Morita, A.; Hynes, J. T. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 673.
40. Jungwirth, P.; Tobias, D. J. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 7702.
41. Jungwirth, P.; Tobias, D. J. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 10468.
42. Jungwirth, P.; Tobias, D. J. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 6361.
43. Jedlovszky. P. J. Phys.: Condens. Matter 2004, 16, S5389.
44. Jedlovszky. P.; Vincze, A.; Horvai, G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 1874.
45. Perry, A.; Ahlborn, H.; Space, B.; Moore, P. B. J. Chem. Phys. 2003, 118, 8411.
46. Feibelman, P. J. Chem. Phys. Lett. 2004, 389, 92.
47. Puibasset, J.; Pellenq, R. J. M. J. Chem. Phys. 2003, 119, 9226.
48. Puibasset, J.; Pellenq, R. J. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 1933.
49. Marx, D. Science 2004, 303, 634.
50. Kuo, I. F. W.; Mundy, C. J. Science 2004, 303, 658.
51. Benjamin, I. J. Chem. Phys. 2004, 121, 10223.
52. Garrett, B. C. Science 2004, 303, 1146.
53. Morita, A. Chem. Phys. Lett. 2004, 398, 361.
54. Brown. M. G.; Walker. D. S.; Raymond, E. A.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 237.
55. Buch, V. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 17771.
56. Perry, A.; Neipert, C.; Kasprzyk, C. R.; Green, T.; Space, B.; Moore, P. B. J. Chem. Phys. 2005, 123, No. 144705.
57. Perry, A.; Neipert, C.; Ridley, C.; Space, B.; Moore, P. B. Phys Rev E 2005, 71, No. 050601.
58. Gudar. J. L.; Shen, Y. R. Phys. Rev. A 1980, 22, 1141.
59. Bertie, J. E; Labbe, H. L; Whally, E. J. Chem. Phys. 1969, 50, 4501.
60. Querry, M. R.; Wieliczka, D. M.; Segelstein, D. J. In Handbook of Optical Constants of Solids II.. Academic Press: Boston, MA, 1991.
61. Kipling, J. J. J. Colloid Sci. 1963, 18, 502.
62. Wei, X.; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 4799.
63. Gragson, D. E; McCarty. B. M.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. 1996, 100, 14272.
64. Gragson, D. E.; McCarty, B. M.; Richmond, G. L. J. Am Chem. Soc. 1997, 119, 6144.
65. Gragson. D. E.; Richmond. G. L. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 3847.
66. Brown. M. G.; Raymond, E. A.; Allen, H. C.; Scatena, L. F.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 10220.
67. Raymond, E. A.; Tarbuck, T. L.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2817.
68. Raymond, E. A.; Tarbuck, T. L.; Brown, M. G.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 546.
69. Raymond, E. A.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 5051.
70. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. L; Campbell, D. J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 10435.
71. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. J.; Campbell, D. J. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 4607.
72. Baldelli, S.; Schnitzer. C.; Shultz, M. J.; Campbell, D. J. Chem. Phys. lett. 1998, 287, 143.
73. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Campbell. D. J.; Shultz, M. J. J. Phys. Chem. B 1999, 103, 2789.
74. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. J. Chem. Phys. Iett. 1999, 302, 157.
75. Schnitzer, C.; Baldelli, S.; Campbell, D. J.; Shultz, M. J. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6383.
76. Schnitzer, C.; Baldelli, S.; Shultz. M. J. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 585.
77. Shultz, M. J.; Schnitzer, C.; Simonelli, D.; Baldelli, S. Int. Rev. Phys. Chem. 2000, 19, 123.
78. Simonelli, D.; Shultz, M. J. J. Chem. Phys. 2000, 112, 6804.
79. Simonelli, D.; Shultz, M. J. J. Mol. Spectrosc. 2001, 205, 221.
80. Mucha, M.; Frigato, T.; Levering, L. M.; Allen, H. C.; Tobias, D. J.; Dang, L. X.; Jungwirth, P. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7617.
81. Allen, H. C.; Raymond, E. A.; Richmond, G. L. Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2000, 5, 74.
82. Allen, H. C.; Raymond, E. A.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 1649.
83. Wilson, K. R.; Cavalleri, M.; Rude, B. S.; Schaller, R. D.; Nilsson, A.; Pettersson, L. G. M.; Goldman, N.; Catalano, T.; Bozek, J. D.; Saykally, R. J. J. Phys.: Condens. Matter 2002, 14, L221.
84. Miranda, P. B.; Du, Q.; Shen, Y. R. Chem. Phys. Lett. 1998, 286, 1.
85. Gavish, M.; Popovitzbiro, R.; Lahav, M.; Leiserowitz, L. Science 1990, 250, 973.
86. Patey, G. N.; Torrie, G. M. Chem. Scr. 1989, 29A, 39.
87. Raduge, C.; Pflumio, V.; Shen, Y. R. Chem. Phys. Lett. 1997, 274, 140.
88. Schnitzer, C.; Baldelli, S.; Shultz, M. J. Chem. Phys. Lett. 1999, 313, 416.
89. Baldelli, S.; Schnitzer, C.; Shultz, M. J. J. Chem. Phys. 1998, 108, 9817.
90. Johnson, C. M.; Tyrode, E.; Baldelli, S.; Rutland, M. W.; Leygraf, C. J. Phys. Chem B 2005, 109, 321.
91. Petersen, P. B.; Johnson, J. C.; Knutsen, K. P.; Saykally, R. J. Chem. Phys. Lett. 2004, 397, 46.
92. Petersen, P. B.; Saykally, R. J. Chem. Phys. Lett. 2004, 397, 51.
93. Petersen, P. B.; Saykally, R. J. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7976.
94. Dang, L. X. J. Chem. Phys. 2003, 119, 6351.
95. Petersen, M. K.; Iyengar, S. S.; Day, T. J. F.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 14804.
96. Nihonyanagi, S.; Ye, S.; Uosaki, K, Electrochim Acta 2001, 46, 3057.
97. Kim, J.; Kim, G.; Cremer, P. S. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 8751.
98. Gurau, M. C.; Kim, G.; Lim, S. M.; Albertorio, F.; Fleisher, H. C.; Cremer, P. S. ChemPhysChem 2003, 4, 1231.
99. Li, L; Bandara, J.; Shultz, M. J. Langmuir 2004, 20, 10474.
100. Ostroverkhov, V.; Waychunas, G. A.; Shen, Y. R. Chem. Phys. Lett. 2004, 386, 144.
101. Iler, R. K. The Chemistry of Silica; John Wiley & Sons: New York, 1979.
102. Yeganeh, M. S.; Dougal, S. M.; Pink, H. S. Phys. Rev. Lett. 1999, 83, 1179.
103. Becraft, K. A.; Richmond, G. L. Langmuir 2001, 17, 7721.
104. Becraft, K. A.; Moore, F. G.; Richmond, G. L. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 1880.
105. Becraft, K. A.; Moore, F. G.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 3675.
106. Kataoka, S.; Gurau, M. C.; Albertorio, F.; Holden, M. A.; Lim, S. M.; Yang, R. D.; Cremer, P. S. Langmuir 2004, 20, 1662.
107. Chu, Y. S.; Lister, T. E.; Cullen, W. G.; You, H.; Nagy, Z. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 3364.
108. Ruan, C. Y.; Lobastov, V. A.; Vigliotti, F.; Chen, S. Y.; Zewail, A. H. Science 2004, 304, 80.
109. Carnie, S. L.; Torrie, G. M. Adv. Chem. Phys. 1984, 56, 141.
110. Scatena, L. F.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 11240.
111. Scatena, L. F.; Brown, M. G.; Richmond, G. L. Science 2001, 292, 908.
112. Scatena, L. F.; Richmond, G. L. Chem. Phys. Lett. 2004, 383, 491.
113. Scatena, L. F.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12518.
114. Walker, D. S.; Brown, M.; McFearin, C. L.; Richmond, G. L. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 2111.
115. Chang, R. K.; Ducuing, J.; Bloembergen, N. Phys. Rev. Lett. 1965, 15, 6.
116. Superfine, R.; Huang, J. Y.; Shen, Y. R. Opt. Lett. 1990, 15, 1276.
117. Janz, S.; Lu, Z. H, J. Opt. Soc. Am. B 1997, 14, 1647.
118. Wilson, P. T.; Jiang, Y.; Carriles, R.; Downer, M. C. J. Opt. Soc. Am. B 2003, 20, 2548.
119. Singh, S. In Handbook of Lasers; Pressley, R. J., Ed.; Chemical Rubber Co.: Cleveland, OH, 1971.
120. Wei, X.; Miranda, P. B.; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 2001, 86, 1554.
121. Wei, X.; Miranda, P. B.; Zhang, C.; Shen, Y. R. Phys. Rev. B 2002, 66, No. 085401.
122. Ong, S. W.; Zhao, X. L.; Eisenthal, K. B. Chem. Phys. Lett. 1992,
123. This mode would have the same pH dependence as the high-frequency icelike peak because they are associated with the same adsorption sites. We thank Dr. H. Morita for confirming this possible assignment.