Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Kemi

Elektroner i vandet

Argonne-forskere og deres samarbejdspartnere forsøgte at forstå, hvad der sker, når en elektron injiceres i vand. De fandt ud af, at elektronen binder sig til vandet; imidlertid, dens bindingsenergi er meget mindre end tidligere antaget. Kredit:Peter Allen/Institutet for Molekylær Teknik

Det er en populær tradition at kaste mønter i springvand i håb om at få opfyldt ønsker. Men hvad ville der ske, hvis man i stedet kunne "kaste" elektroner i vandet? Det er, hvad sker der kort efter en elektron er sprøjtet ind i vand?

Dette årtier gamle spørgsmål har nu et svar, takket være en artikel publiceret i Naturkommunikation den 16. januar. Undersøgelsen er resultatet af samarbejde mellem forskere ved University of Chicago, det amerikanske energiministeriums (DOE) Argonne og Lawrence Livermore National Laboratories, og University of California-San Diego.

Indtil nu, videnskabsmænd stod over for tekniske udfordringer, da de eksperimentelt ønskede at måle vands elektronaffinitet, sagde professor Giulia Galli, Liew familieprofessor ved Institute for Molecular Engineering ved University of Chicago og seniorforsker ved Argonne.

"De fleste af de resultater, der er citeret i litteraturen som eksperimentelle tal, er faktisk værdier opnået ved at kombinere nogle målte mængder med grove teoretiske skøn, " hun sagde.

Nøjagtige teoretiske målinger, på den anden side, har været uden for rækkevidde i nogen tid på grund af vanskeligheden og de høje beregningsomkostninger ved at simulere interaktionerne direkte, sagde University of California-San Diego professor Francesco Paesani, en medforfatter til undersøgelsen, som har brugt år på at udvikle et præcist potentiale for modellering af flydende vand.

Interaktionspotentialet mellem vandmolekyler udviklet af Paesani blev brugt til at modellere strukturen af ​​både flydende vand og vandets overflade. Når strukturen er opnået, meget nøjagtige teoretiske metoder og software til at studere ophidsede tilstande af stof, udviklet af Gallis team, blev brugt til at forstå, hvad der sker, når en elektron injiceres i vand.

Grundlæggende forskerne søgte at forstå, om elektronen befinder sig i væsken og til sidst deltager i kemiske reaktioner. Det centrale spørgsmål var, "Binder væsken med elektronen med det samme?"

Forskerne fandt ud af, at elektronen binder sig til vandet; imidlertid, dens bindingsenergi er meget mindre end tidligere antaget. Dette fik forskerne til at gense en række velaccepterede data og modeller for vands elektronaffinitet.

Galli og hendes medarbejdere udviklede metoderne til ophidsede tilstande, der blev brugt i denne undersøgelse gennem årene, i samarbejde med T. A. Pham, fra Lawrence Livermore, og Marco Govoni, fra Argonne, som begge er medforfattere til denne undersøgelse.

"Ved at bruge softwaren udviklet til at studere ophidsede tilstandsfænomener i realistiske systemer (kaldet Without Empty STates, eller WEST) og Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), vi var endelig i stand til at generere data for prøver både store nok og på tilstrækkelig lange tidsskalaer til at studere elektronaffiniteten af ​​flydende vand, " sagde Govoni.

"Vi fandt store forskelle mellem affiniteten ved overfladen og i bulkvæsken. Vi fandt også værdier, der var forskellige fra dem, der blev accepteret i litteraturen, hvilket fik os til at gense det fulde energidiagram af en elektron i vand, " tilføjede Pham.

Dette fund har vigtige konsekvenser, både for forskere, der søger at grundlæggende forstå vands egenskaber og for dem, der ønsker at beskrive reduktions-/oxidationsreaktioner i vandige opløsninger, som er udbredt inden for kemi og biologi.

I særdeleshed, videnskabsmænd bruger ofte information om vands energiniveauer, når de screener materialer for fotoelektrokemiske celler. Et pålideligt estimat af vandelektronaffiniteten (som forskerne i undersøgelsen sørgede for både bulkvand og dets overflade) vil hjælpe videnskabsmænd med at etablere beregningsprotokoller, der er mere robuste og mere pålidelige, og forbedre beregningsmæssig screening af materialer.