Открытие молекулы воды противоречит моделям учебников

Новаторские исследования показывают, что молекулы воды на поверхности соленой воды ведут себя иначе, чем считалось ранее, что открывает новые перспективы для науки и техники об окружающей среде.

Учебные модели придется перерисовать после того, как группа исследователей обнаружила, что молекулы воды на поверхности соленой воды организованы иначе, чем считалось ранее.

Многие важные взаимодействия, связанные с климатом и экологическими процессами, происходят при взаимодействии молекул воды с воздухом. Например, испарение океана играет важную роль в химии атмосферы и науке о климате. Понимание этих реакций имеет решающее значение для усилий по смягчению воздействия человека на нашу планету.

Распределение ионов на границе раздела воздух-вода может влиять на атмосферные процессы. Однако точное понимание микроскопических взаимодействий на этих важных интерфейсах до сих пор широко обсуждается.

Графическое изображение границы раздела жидкость/воздух в растворе хлорида натрия. Фото: Яир Литман

Инновационные методы поиска

В исследовании, опубликованном сегодня (15 января) в журнале Природная химияИсследователи из Кембриджского университета и Института исследования полимеров Макса Планка в Германии показали, что ионы и молекулы воды на поверхности большинства растворов соленой воды, известных как электролиты, организованы совершенно иначе, чем это традиционно понимается. Это может привести к улучшению моделей химии атмосферы и другим приложениям.

Исследователи решили изучить, как на молекулы воды влияет распределение ионов в конкретной точке, где встречаются воздух и вода. Традиционно это делается с помощью метода, называемого «Генерация суммы частот вибрации» (VSFG). Используя технологию лазерного излучения, можно напрямую измерять молекулярные колебания на этих ключевых границах раздела. Однако, хотя можно измерить силу сигналов, этот метод не позволяет определить, являются ли сигналы положительными или отрицательными, что затрудняло интерпретацию результатов в прошлом. Кроме того, использование только экспериментальных данных может дать неоднозначные результаты.

Команда преодолела эти проблемы, используя более совершенную форму VSFG, называемую гетеродин-детектируемым (HD)-VSFG, для изучения различных растворов электролитов. Затем они разработали усовершенствованные компьютерные модели для моделирования фасадов в различных сценариях.

Революция традиционных моделей

Объединенные результаты показали, что как положительно заряженные ионы, называемые катионами, так и отрицательно заряженные ионы, называемые анионами, удаляются с границы раздела вода/воздух. Катионы и анионы в простых электролитах направляют молекулы воды вверх и вниз. Это противоположность моделям из учебников, которые учат, что ионы образуют двойной электрический слой и направляют молекулы воды только в одном направлении.

Соавтор, доктор Яир Литман из химического факультета Йосефа Хамида, сказал: «Наша работа показывает, что поверхность растворов простых электролитов имеет иное распределение ионов, чем считалось ранее, и что обогащенная ионами основная поверхность определяет, как интерфейс Вверху находится несколько слоев воды: «Чистая», затем слой, богатый ионами, и, наконец, объемный солевой раствор.

Соавтор исследования доктор Куо Янцян из Института Макса Планка сказал: «Эта статья показывает, что сочетание высокоуровневого HD-VSFG и моделирования является бесценным инструментом, который будет способствовать пониманию границ раздела жидкостей на молекулярном уровне».

Профессор Миша Пун, возглавляющий отдел молекулярной спектроскопии в Институте Макса Планка, добавил: «Эти типы интерфейсов встречаются повсюду на планете, поэтому их изучение не только помогает нашему базовому пониманию, но также может привести к созданию более совершенных устройств и технологий. ». Те же самые методы изучения границ твердого тела и жидкости, которые могут иметь потенциальное применение в батареях и накопителях энергии.

Ссылка: «Поверхностная стратификация определяет поверхностную водную структуру растворов простых электролитов» 15 января 2024 г., Природная химия.
дои: 10.1038/s41557-023-01416-6