Відкриття молекули води суперечить хрестоматійним моделям

Піонерські дослідження показують, що молекули води на поверхні солоної води поводяться інакше, ніж вважалося раніше, відкриваючи нові перспективи для екологічної науки та технологій.

Після того, як команда дослідників виявила, що молекули води на поверхні солоної води організовані інакше, ніж вважалося раніше, потрібно буде перемалювати моделі підручників.

Багато важливих взаємодій, пов’язаних з кліматом і екологічними процесами, відбуваються, коли молекули води взаємодіють з повітрям. Наприклад, випаровування океану відіграє важливу роль у хімії атмосфери та кліматології. Розуміння цих реакцій має вирішальне значення для пом’якшення впливу людини на нашу планету.

Розподіл іонів на межі повітря-вода може впливати на атмосферні процеси. Проте точне розуміння мікроскопічних взаємодій на цих важливих інтерфейсах на сьогоднішній день широко обговорюється.

Графічне зображення поверхні розділу рідина/повітря в розчині хлориду натрію. Авторство: Яір Літман

Інноваційні методи пошуку

У дослідженні, опублікованому сьогодні (15 січня) у журналі Хімія природиДослідники з Кембриджського університету та Інституту полімерних досліджень імені Макса Планка в Німеччині показали, що іони та молекули води на поверхні більшості розчинів солоної води, відомих як електроліти, організовані зовсім іншим способом, ніж це прийнято традиційно. Це може привести до кращих моделей хімії атмосфери та інших застосувань.

Дослідники вирішили вивчити, як на молекули води впливає розподіл іонів у певній точці зустрічі повітря та води. Традиційно це робиться за допомогою техніки, яка називається генерацією суми вібраційних частот (VSFG). Використовуючи технологію лазерного випромінювання, можна безпосередньо вимірювати молекулярні коливання на цих ключових інтерфейсах. Однак, хоча можна виміряти силу сигналів, ця методика не вимірює, чи є сигнали позитивними чи негативними, що ускладнювало інтерпретацію результатів у минулому. Крім того, використання лише експериментальних даних може дати неоднозначні результати.

Команда подолала ці проблеми, використовуючи більш досконалу форму VSFG, яка називається гетеродинне-детектованим (HD)-VSFG, для вивчення різних розчинів електролітів. Потім вони розробили передові комп’ютерні моделі для імітації фасадів у різних сценаріях.

Революція традиційних моделей

Об’єднані результати показали, що як позитивно заряджені іони, які називаються катіонами, так і негативно заряджені іони, які називаються аніонами, виснажуються на поверхні розділу вода/повітря. Катіони та аніони в простих електролітах направляють молекули води вгору і вниз. Це протилежність моделям підручників, які вчать, що іони утворюють подвійний електричний шар і спрямовують молекули води лише в одному напрямку.

Співавтор, доктор Яїр Літман з кафедри хімії Йосефа Хаміда, сказав: «Наша робота показує, що поверхня розчинів простих електролітів має інший іонний розподіл, ніж вважалося раніше, і що збагачена іонами нижня поверхня визначає, як розділ розділу Зверху розташовано кілька шарів води.» Чистий, потім багатий іонами шар і, нарешті, сольовий розчин.

Співавтор, доктор Куо Янцян з Інституту Макса Планка, сказав: «Ця стаття показує, що поєднання високорівневого HD-VSFG і моделювання є безцінним інструментом, який сприятиме розумінню рідинних інтерфейсів на молекулярному рівні».

Професор Міша Пун, який очолює відділ молекулярної спектроскопії в Інституті Макса Планка, додав: «Ці типи інтерфейсів зустрічаються скрізь на планеті, тому їх вивчення не тільки допомагає нашому базовому розумінню, але також може привести до кращих пристроїв і технологій. .” Це ті самі методи вивчення твердо-рідких поверхонь, які можуть мати потенційне застосування в батареях і накопичувачах енергії.

Довідка: «Поверхнева стратифікація визначає водну структуру поверхні простих розчинів електролітів» 15 січня 2024 р. Хімія природи.
doi: 10.1038/s41557-023-01416-6