Unik grænseflade og uventet adfærd hjælper med at forklare, hvordan tungmetaller virker

Raffinering af platin, plutonium, eller visse andre metaller afhænger ofte af, hvordan metallet opfører sig ved væskegrænseflader. Udfordringen? Forskere har begrænsede måder at analysere detaljerne i væskegrænseflader på. Nu, forskere beskrev meget detaljeret, hvordan vandmolekyler omgiver en platin-baseret ion. Deres beskrivelse inkluderer en uventet kompleks struktur, der dannes på væskens overflade. Holdet bemærkede ikke mindre end tre forskellige former for vand, der viklede sig rundt om ionen. Den komplekse vandstruktur er uventet, og den skaber usædvanlig adfærd sammenlignet med dem, der observeres omkring mindre og lettere ioner under lignende forhold.

Raffinering af platin og andre ædle metaller involverer at flytte det ønskede metal fra en væske til en anden. Men lidt er kendt om, hvordan denne overførsel fungerer på molekylær skala. Dette arbejde hjælper med at forklare, hvordan platin og andre tungmetaller bevæger sig og reagerer på tværs af væsker.

Opløsningsmiddelekstraktion, go-to-teknologien til oparbejdning af nukleart affald eller raffinering af sjældne jordarter og ædle metaller, involverer den foretrukne overførsel af en målrettet kemisk art mellem to ublandbare faser gennem en væske-væske grænseflade. Relativt lidt information i molekylær skala er kendt om mekanismen eller mekanismerne for denne overførsel på tværs af en grænseflade. Hvorfor? For en stor del, videnskløften skyldes, at de fleste eksperimentelle prober ikke kan udspørge væskegrænseflader direkte. Selv de bedste overfladefølsomme sonder er kun følsomme over for begrænsede komponenter i grænsefladestrukturen.

For at give en molekylær-skala beskrivelse af tunge, anioniske komplekser, såsom PtCl62-, med positivt ladede ekstraktionsmolekyler ved luft/vand-grænsefladen, forskere kombinerede synkrotron røntgeneksperimenter, overfladefølsom sum-frekvensgenerering (SFG) spektroskopi, og molekylær dynamik simuleringer. Røntgenstråler leveret af Advanced Photon Source undersøgte strukturelle træk ved overfladeplacerede metalioner. En kombination af spredning og fluorescensmålinger afslørede en to-trins adsorptionsproces, der afhænger af metalkoncentrationen i opløsning. SFG-spektroskopi afslørede en unik vandstruktur relateret til denne adsorption. En ny underensembleanalyse af simuleringer af molekylær dynamik klargjorde yderligere detaljer i grænsefladevandstrukturen som følge af de stærkt hydrerede anioniske komplekser. Forskningen viste, at efter adsorption, PtCl ₆ ^2- komplekser bevarer delvist deres første og anden hydreringssfære. Det er muligt at identificere tre typer vandmolekyler omkring ionerne, differentieret ved deres orientering og hydrogenbindingsmotiver. Resultaterne har store implikationer for prædiktiv modellering af ladede ioner ved luft/vand-grænseflader.