Structural trends of ionized water networks: Infrared spectroscopy of water cluster radical cations (H2O)n+ (n = 3-11)

Chemical Science

Volumn 2, Issue 5, 2011, Pages 868-876

  Mizuse, Kenta ^a   Kuo, Jer Lai ^b   Fujii, Asuka ^a  

^a TOHOKU UNIVERSITY   (Japan)

^b INSTITUTE OF ATOMIC AND MOLECULAR SCIENCES   (Taiwan)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CLUSTER ION SOURCES; CONTACT PAIR; GASPHASE; HYDROGEN BOND ACCEPTORS; HYDROGEN BOND NETWORKS; INFRARED SPECTRUM; KEY FACTORS; MOLECULAR LEVELS; NATURE OF WATER; OH RADICAL; PROTONATED; PROTONATED SITES; PROTONATED WATER CLUSTERS; RADICAL CATIONS; SOLVATION SHELL; SPECTRAL FEATURE; STRUCTURAL EVOLUTION; STRUCTURAL TRENDS; WATER CLUSTER; WATER MOLECULE; WATER NETWORKS;

BIOLOGY; HYDROGEN; HYDROGEN BONDS; INFRARED SPECTROSCOPY; ION SOURCES; IONIZATION OF GASES; IONIZING RADIATION; POSITIVE IONS; PROTONATION;

FREE RADICALS;

EID: 79955598489     PISSN: 20416520     EISSN: 20416539     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c0sc00604a     Document Type: Article

References (99)

1. I. G. Draganic and Z. D. Draganic, The radiation chemistry of water, ACADEMIC PRESS, New York, 1971.
2. B. C. Garrett, D. A. Dixon, D. M. Camaioni, D. M. Chipman, M. A. Johnson, C. D. Jonah, G. A. Kimmel, J. H. Miller, T. N. Rescigno, P. J. Rossky, S. S. Xantheas, S. D. Colson, A. H. Laufer, D. Ray, P. F. Barbara, D. M. Bartels, K. H. Becker, K. H. Bowen, S. E. Bradforth, I. Carmichael, J. V. Coe, L. R. Corrales, J. P. Cowin, M. Dupuis, K. B. Eisenthal, J. A. Franz, M. S. Gutowski, K. D. Jordan, B. D. Kay, J. A. LaVerne, S. V. Lymar, T. E. Madey, C. W. McCurdy, D. Meisel, S. Mukamel, A. R. Nilsson, T. M. Orlando, N. G. Petrik, S. M. Pimblott, J. R. Rustad, G. K. Schenter, S. J. Singer, A. Tokmakoff, L.-S. Wang and T. S. Zwier, Chem. Rev., 2005, 105, 355-390.
3. S. Lehnert, Biomolecular Action of Ionizing Radiation, Taylor & Francis Group, New York, 2008.
4. J. F. Ward, Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol., 1988, 35, 95-125.
5. S. G. Swarts, M. D. Sevilla, D. Becker, C. J. Tokar and K. T. Wheeler, Radiat. Res., 1992, 129, 333-344.
6. J. Cadet, T. Douki, D. Gasparutto and J.-L. Ravanat, Mutat. Res., 2003, 531, 5-23.
7. C.-R. Wang, J. Nguyen and Q.-B. Lu, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 11320-11322.
8. C. Silva, P. K. Walhout, K. Yokoyama and P. F. Barbara, Phys. Rev. Lett., 1998, 80, 1086.
9. Y. Gauduel, S. Pommeret, A. Migus and A. Antonetti, Chem. Phys., 1990, 149, 1-10.
10. C. L. Thomsen, D. Madsen, S. R. Keiding, J. Thogersen and O. Christiansen, J. Chem. Phys., 1999, 110, 3453-3462.
11. A. Migus, Y. Gauduel, J. L. Martin and A. Antonetti, Phys. Rev. Lett., 1987, 58, 1559.
12. V. Buch, S. Bauerecker, J. P. Devlin, U. Buck and J. K. Kazimirski, Int. Rev. Phys. Chem., 2004, 23, 375-433.
13. U. Buck and F. Huisken, Chem. Rev., 2000, 100, 3863-3890.
14. K. Mizuse, T. Hamashima and A. Fujii, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 12134-12141.
15. J. V. Coe, G. H. Lee, J. G. Eaton, S. T. Arnold, H. W. Sarkas, K. H. Bowen, C. Ludewigt, H. Haberland and D. R. Worsnop, J. Chem. Phys., 1990, 92, 3980-3982.
16. J. V. Coe, Int. Rev. Phys. Chem., 2001, 20, 33-58.
17. A. E. Bragg, J. R. R. Verlet, A. Kammrath, O. Cheshnovsky and D. M. Neumark, Science, 2004, 306, 669-671.
18. J. R. R. Verlet, A. E. Bragg, A. Kammrath, O. Cheshnovsky and D. M. Neumark, Science, 2005, 307, 93-96.
19. A. E. Bragg, J. R. R. Verlet, A. Kammrath, O. Cheshnovsky and D. M. Neumark, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, 15283-15295.
20. D. M. Neumark, Mol. Phys., 2008, 106, 2183-2197.
21. O. T. Ehrler and D. M. Neumark, Acc. Chem. Res., 2009, 42, 769-777.
22. T. Maeyama, T. Tsumura, A. Fujii and N. Mikami, Chem. Phys. Lett., 1997, 264, 292-296.
23. P. Ayotte and M. A. Johnson, J. Chem. Phys., 1997, 106, 811-814.
24. N. I. Hammer, J. W. Shin, J. M. Headrick, E. G. Diken, J. R. Roscioli, G. H. Weddle and M. A. Johnson, Science, 2004, 306, 675-679.
25. N. I. Hammer, J. R. Roscioli, J. C. Bopp, J. M. Headrick and M. A. Johnson, J. Chem. Phys., 2005, 123, 244311.
26. K. R. Asmis, G. Santambrogio, J. Zhou, E. Garand, J. Headrick, D. Goebbert, M. A. Johnson and D. M. Neumark, J. Chem. Phys., 2007, 126, 191105.
27. L. A. Posey, M. J. DeLuca, P. J. Campagnola and M. A. Johnson, J. Phys. Chem., 1989, 93, 1178-1181.
28. O. P. Balaj, C.-K. Siu, I. Balteanu, M. K. Beyer and V. E. Bondybey, Int. J. Mass Spectrom., 2004, 238, 65-74.
29. H. Shinohara, N. Nishi and N. Washida, J. Chem. Phys., 1986, 84, 5561-5567.
30. R. T. Jongma, Y. Huang, S. Shi and A. M. Wodtke, J. Phys. Chem. A, 1998, 102, 8847-8854.
31. L. Angel and A. J. Stace, Chem. Phys. Lett., 2001, 345, 277-281.
32. S. Yamaguchi, S. Kudoh, Y. Kawai, Y. Okada, T. Orii and K. Takeuchi, Chem. Phys. Lett., 2003, 377, 37-42.
33. S. Tomoda and K. Kimura, Chem. Phys., 1983, 82, 215-227.
34. K. Norwood, A. Ali and C. Y. Ng, J. Chem. Phys., 1991, 95, 8029-8037.
35. S. P. de Visser, L. J. de Koning and N. M. M. Nibbering, J. Phys. Chem, 1995, 99, 15444-15447.
36. R. N. Barnett and U. Landman, J. Phys. Chem., 1995, 99, 17305-17310.
37. R. N. Barnett and U. Landman, J. Phys. Chem. A, 1997, 101, 164-169.
38. Y. V. Novakovskaya and N. F. Stepanov, Int. J. Quantum Chem., 1997, 61, 981-990.
39. Y. V. Novakovskaya and N. F. Stepanov, J. Phys. Chem. A, 1999, 103, 3285-3288.
40. H. Tachikawa, J. Phys. Chem. A, 2002, 106, 6915-6921.
41. H. Tachikawa, J. Phys. Chem. A, 2004, 108, 7853-7862.
42. A. Furuhama, M. Dupuis and K. Hirao, J. Chem. Phys., 2006, 124, 164310.
43. I. B. Muller and L. S. Cederbaum, J. Chem. Phys., 2006, 125, 204305.
44. L. Belau, K. R. Wilson, S. R. Leone and M. Ahmed, J. Phys. Chem. A, 2007, 111, 10075-10083.
45. Y. Novakovskaya, Russ. J. Phys. Chem. A, 2007, 81, 216-224.
46. Y. Novakovskaya, Russ. J. Phys. Chem. A, 2007, 81, 225-234.
47. Y. V. Novakovskaya, Int. J. Quantum Chem., 2007, 107, 2763-2780.
48. S. Yang, S. M. Brereton, S. Nandhra, A. M. Ellis, B. Shang, L.-F. Yuan and J. Yang, J. Chem. Phys., 2007, 127, 134303.
49. A. Furuhama, M. Dupuis and K. Hirao, Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10, 2033-2042.
50. A. Kumar, M. Kolaski, H. M. Lee and K. S. Kim, J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 5502-5508.
51. P. A. Pieniazek, J. Vande Vondele, P. Jungwirth, A. I. Krylov and S. E. Bradforth, J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 6159-6170.
52. Q. Cheng, F. A. Evangelista, A. C. Simmonett, Y. Yamaguchi and H. F. Schaefer, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 13779-13789.
53. H. M. Lee and K. S. Kim, J. Chem. Theory Comput., 2009, 5, 976-981.
54. G. Periyasamy, R. D. Levine and F. Remacle, Chem. Phys., 2009, 366, 129-138.
55. P. A. Pieniazek, E. J. Sundstrom, S. E. Bradforth and A. I. Krylov, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 8141-8141.
56. T. Jahnke, H. Sann, T. Havermeier, K. Kreidi, C. Stuck, M. Meckel, M. Schoffler, N. Neumann, R. Wallauer, S. Voss, A. Czasch, O. Jagutzki, A. Malakzadeh, F. Afaneh, T. Weber, H. Schmidt-Bocking and R. Dorner, Nat. Phys., 2010, 6, 139-142.
57. E. Kamarchik, O. Kostko, J. M. Bowman, M. Ahmed and A. I. Krylov, J. Chem. Phys., 2010, 132, 194311.
58. M. Mucke, M. Braune, S. Barth, M. Forstel, T. Lischke, V. Ulrich, T. Arion, U. Becker, A. Bradshaw and U. Hergenhahn, Nat. Phys., 2010, 6, 143-146.
59. S. Barth, M. Ončaćk, V. Ulrich, M. Mucke, T. Lischke, P. Slavićček and U. Hergenhahn, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 13519-13527.
60. M. Sodupe, J. Bertran, L. Rodriguez-Santiago and E. J. Baerends, J. Phys. Chem. A, 1998, 103, 166-170.
61. G. H. Gardenier, M. A. Johnson and A. B. McCoy, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 4772-4779.
62. Y. Matsuda, N. Mikami and A. Fujii, Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, 11, 1279-1290.
63. M. Hachiya, Y. Matsuda, K.-I. Suhara, N. Mikami and A. Fujii, J. Chem. Phys., 2008, 129, 094306.
64. L. I. Yeh, M. Okumura, J. D. Myers, J. M. Price and Y. T. Lee, J. Chem. Phys., 1989, 91, 7319-7330.
65. M. Okumura, L. I. Yeh, J. D. Myers and Y. T. Lee, J. Phys. Chem., 1990, 94, 3416-3427.
66. Y. S. Wang, J. C. Jiang, C. L. Cheng, S. H. Lin, Y. T. Lee and H. C. Chang, J. Chem. Phys., 1997, 107, 9695-9698.
67. J. C. Jiang, Y. S. Wang, H. C. Chang, S. H. Lin, Y. T. Lee and G. Niedner-Schatteburg, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 1398-1410.
68. Y. S. Wang, C. H. Tsai, Y. T. Lee, H. C. Chang, J. C. Jiang, O. Asvany, S. Schlemmer and D. Gerlich, J. Phys. Chem. A, 2003, 107, 4217-4225.
69. M. Miyazaki, A. Fujii, T. Ebata and N. Mikami, Science, 2004, 304, 1134-1137.
70. J. W. Shin, N. I. Hammer, E. G. Diken, M. A. Johnson, R. S. Walters, T. D. Jaeger, M. A. Duncan, R. A. Christie and K. D. Jordan, Science, 2004, 304, 1137-1140.
71. H. C. Chang, C. C. Wu and J. L. Kuo, Int. Rev. Phys. Chem., 2005, 24, 553-578.
72. J. M. Headrick, E. G. Diken, R. S. Walters, N. I. Hammer, R. A. Christie, J. Cui, E. M. Myshakin, M. A. Duncan, M. A. Johnson and K. D. Jordan, Science, 2005, 308, 1765-1769.
73. C. K. Lin, C. C. Wu, Y. S. Wang, Y. T. Lee, H. C. Chang, J. L. Kuo and M. L. Klein, Phys. Chem. Chem. Phys., 2005, 7, 938-944.
74. C.-C. Wu, C.-K. Lin, H.-C. Chang, J.-C. Jiang, J.-L. Kuo and M. L. Klein, J. Chem. Phys., 2005, 122, 074315.
75. S. Karthikeyan, M. Park, I. Shin and K. S. Kim, J. Phys. Chem. A, 2008, 112, 10120-10124.
76. Q. C. Nguyen, Y.-S. Ong and J.-L. Kuo, J. Chem. Theory Comput., 2009, 5, 2629-2639.
77. K. Mizuse, A. Fujii and N. Mikami, J. Chem. Phys., 2007, 126, 231101.
78. G. E. Douberly, A. M. Ricks and M. A. Duncan, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 8449-8453.
79. G. E. Douberly, R. S. Walters, J. Cui, K. D. Jordan and M. A. Duncan, J. Phys. Chem. A, 2010, 114, 4570-4579.
80. S. Maeda and K. Ohno, J. Phys. Chem. A, 2007, 111, 4527-4534.
81. Y. Luo, S. Maeda and K. Ohno, J. Phys. Chem. A, 2007, 111, 10732-10737.
82. Y. Luo, S. Maeda and K. Ohno, J. Comput. Chem., 2009, 30, 952-961.
83. E. Livshits, R. S. Granot and R. Baer, J. Phys. Chem. A, 2010, DOI: 10.1021/jp1057572.
84. K. Mizuse, N. Mikami and A. Fujii, Angew. Chem., Int. Ed., 2010, 49, 10119-10122.
85. L. Ma, K. Majer, F. Chirot and B. von Issendorff, J. Chem. Phys., 2009, 131, 144303.
86. C. Y. Ng, D. J. Trevor, P. W. Tiedemann, S. T. Ceyer, P. L. Kronebusch, B. H. Mahan and Y. T. Lee, J. Chem. Phys., 1977, 67, 4235-4237.
87. U. Even, J. Jortner, D. Noy, N. Lavie and C. Cossart-Magos, J. Chem. Phys., 2000, 112, 8068-8071.
88. B. J. Lynch, P. L. Fast, M. Harris and D. G. Truhlar, J. Phys. Chem. A, 2000, 104, 4811-4815.
89. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, J. Montgomery, J. A., T. Vreven, K. N. Kudin, J. C. Burant, J. M. Millam, S. S. Iyengar, J. Tomasi, V. Barone, B. Mennucci, M. Cossi, G. Scalmani, N. Rega, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, J. Hasegawa, M. Ishida, T. Nakajima, Y. Honda, O. Kitao, H. Nakai, M. Klene, X. Li, J. E. Knox, H. P. Hratchian, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, P. Y. Ayala, K. Morokuma, G. A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, V. G. Zakrzewski, S. Dapprich, A. D. Daniels, M. C. Strain, O. Farkas, D. K. Malick, A. D. Rabuck, K. Raghavachari, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, Q. Cui, A. G. Baboul, S. Clifford, J. Cioslowski, B. B. Stefanov, G. Liu, A. Liashenko, P. Piskorz, I. Komaromi, R. L. Martin, D. J. Fox, T. Keith, M. A. Al-Laham, C. Y. Peng, A. Nanayakkara, M. Challacombe, P. M. W. Gill, B. Johnson, W. Chen, M. W. Wong, C. Gonzalez and J. A. Pople, Gaussian 03, Revision E.01, Gaussian, Inc., Wallingford CT, 2004.
90. P. Flukiger, H. P. Luthi, S. Portmann and J. Weber, MOLEKEL 4.3, Swiss Center for Scientific Computing, Manno (Switzerland), 2000-2002.
91. K. Ohno and S. Maeda, Chem. Phys. Lett., 2004, 384, 277-282.
92. S. Maeda and K. Ohno, J. Phys. Chem. A, 2005, 109, 5742-5753.
93. K. Ohno and S. Maeda, J. Phys. Chem. A, 2006, 110, 8933-8941.
94. +. Briefly, bands are categorized to four band series, shown as dotted lines in Fig. 2. From the low frequency side, symmetric stretch of 1-coordinated (1-coord) water, free OH stretch of 3-coord water, free OH stretch of 2-coord water, and antisymmetric stretch of 1-coord water, respectively. With increasing cluster size, bands of higher coordination numbers become stronger and 1-coord water bands fade out, corresponding to structural development from chain (n ≤ 3) to tree (4 ≤ n ≤ ~7), branched ring (~7 ≤ n ≤ ~10), and closed net (multiple ring) structures (n ≥ ~10).
95. K. Tsuji and K. Shibuya, J. Phys. Chem. A, 2009, 113, 9945-9951.
96. R. C. Herman and G. A. Hornbeck, Astrophys. J., 1953, 118, 214-227.
97. Y. Maréchal, The Hydrogen Bond and the Water Molecule, ELSEVIER, Amsterdam, 2007.
98. J. R. Roscioli, L. R. McCunn and M. A. Johnson, Science, 2007, 316, 249-254.
99. E. P. L. Hunter and S. G. Lias, J. Phys. Chem. Ref. Data, 1998, 27, 413-656.