Odkrycie cząsteczki wody zaprzecza podręcznikowym modelom

Pionierskie badania pokazują, że cząsteczki wody na powierzchni słonej wody zachowują się inaczej niż wcześniej sądzono, co zapewnia nowe perspektywy dla nauki i technologii o środowisku.

Modele podręcznikowe będą musiały zostać przerysowane po tym, jak zespół naukowców odkrył, że cząsteczki wody na powierzchni słonej wody są zorganizowane inaczej niż wcześniej sądzono.

Wiele ważnych interakcji związanych z procesami klimatycznymi i środowiskowymi zachodzi, gdy cząsteczki wody oddziałują z powietrzem. Na przykład parowanie oceanów odgrywa ważną rolę w chemii atmosfery i nauce o klimacie. Zrozumienie tych reakcji ma kluczowe znaczenie dla wysiłków mających na celu łagodzenie wpływu człowieka na naszą planetę.

Rozkład jonów na granicy faz powietrze-woda może wpływać na procesy atmosferyczne. Jednakże dokładne zrozumienie mikroskopijnych interakcji na tych ważnych powierzchniach międzyfazowych było dotychczas szeroko omawiane.

Graficzne przedstawienie granicy faz ciecz/powietrze w roztworze chlorku sodu. Źródło: Yair Litman

Innowacyjne techniki wyszukiwania

W badaniu opublikowanym dzisiaj (15 stycznia) w czasopiśmie Chemia naturyNaukowcy z Uniwersytetu w Cambridge i Instytutu Badań nad Polimerami im. Maxa Plancka w Niemczech wykazali, że jony i cząsteczki wody na powierzchni większości roztworów słonej wody, zwanych elektrolitami, są zorganizowane w zupełnie inny sposób, niż się to tradycyjnie rozumie. Może to prowadzić do lepszych modeli chemii atmosfery i innych zastosowań.

Naukowcy postanowili zbadać, w jaki sposób rozkład jonów w konkretnym punkcie styku powietrza i wody wpływa na cząsteczki wody. Tradycyjnie odbywa się to za pomocą techniki zwanej generowaniem sumy częstotliwości wibracyjnych (VSFG). Wykorzystując technologię promieniowania laserowego, możliwy jest bezpośredni pomiar wibracji molekularnych na tych kluczowych stykach. Jednakże, chociaż możliwy jest pomiar siły sygnałów, technika ta nie mierzy, czy sygnały są pozytywne, czy negatywne, co w przeszłości utrudniało interpretację wyników. Ponadto wykorzystanie samych danych eksperymentalnych może dać niejednoznaczne wyniki.

Zespół przezwyciężył te wyzwania, stosując bardziej zaawansowaną formę VSFG, zwaną wykrywaną heterodyną (HD)-VSFG, do badania różnych roztworów elektrolitów. Następnie opracowali zaawansowane modele komputerowe do symulacji fasad w różnych scenariuszach.

Rewolucjonizuje tradycyjne modele

Połączone wyniki wykazały, że zarówno jony naładowane dodatnio, zwane kationami, jak i jony naładowane ujemnie, zwane anionyami, są usuwane z powierzchni styku woda/powietrze. Kationy i aniony w prostych elektrolitach kierują cząsteczki wody w górę i w dół. Jest to przeciwieństwo modeli podręcznikowych, które uczą, że jony tworzą podwójną warstwę elektryczną i kierują cząsteczki wody tylko w jednym kierunku.

Współpierwszy autor, dr Yair Litman z Wydziału Chemii Yosef Hamid, powiedział: „Nasza praca pokazuje, że powierzchnia prostych roztworów elektrolitów ma inny rozkład jonów niż wcześniej sądzono i że wzbogacona w jony podstawowa powierzchnia determinuje sposób, w jaki interfejs jest zorganizowana.Na górze znajduje się kilka warstw wody.” Czysta, następnie warstwa bogata w jony, a na końcu roztwór soli luzem.

Współpierwszy autor, dr Kuo Yangqiang z Instytutu Maxa Plancka, powiedział: „Niniejszy artykuł pokazuje, że połączenie wysokiego poziomu HD-VSFG i symulacji to nieocenione narzędzie, które przyczyni się do zrozumienia interfejsów cieczy na poziomie molekularnym”.

Profesor Mischa Poon, który kieruje Zakładem Spektroskopii Molekularnej w Instytucie Maxa Plancka, dodał: „Tego typu interfejsy można znaleźć wszędzie na planecie, więc badanie ich nie tylko pomoże nam w podstawowym zrozumieniu, ale może również prowadzić do powstania lepszych urządzeń i technologii Są to te same metody badania granic faz ciało stałe/ciecz, które mogą mieć potencjalne zastosowania w akumulatorach i magazynowaniu energii.

Odniesienie: „Stratyfikacja powierzchniowa określa powierzchnię wodną struktury prostych roztworów elektrolitów” 15 stycznia 2024 r., Chemia natury.
doi: 10.1038/s41557-023-01416-6