Vandoverflademolekyler mister energi ved rotation af den frie OH -gruppe

Kemiske reaktioner og fysiske processer, der involverer vandoverflader, vil være nemmere at modellere takket være opdagelsen af ​​et all-RIKEN hold af, hvordan molekylerne ved vandoverflader taber energi.

Vand er uregelmæssigt på mange måder. For eksempel, den har langt højere fryse- og kogepunkter, end man ville forvente baseret på en naiv sammenligning med andre hydrider. De fleste af disse uregelmæssige egenskaber stammer fra det stærke elektrostatiske træk, som et hydrogenatom føler for et oxygenatom i et nærliggende molekyle. Denne tiltrækningskraft giver anledning til brintbindinger mellem nabovandmolekyler.

Disse hydrogenbindinger danner et 3D-netværk i en vandmasse. Men laget af molekyler, der ligger ved overfladen af ​​vandet, adskiller sig fra de andre molekyler ved, at det kun danner brintbindinger med molekyler, der ligger under det. Fordi dette lag kun er et molekyle tykt, der vides ikke meget om det.

Nu, Tahei Tahara fra RIKEN Molecular Spectroscopy Laboratory og hans medarbejdere har opdaget, hvordan disse overflademolekyler mister energi.

"Vandgrænseflader spiller nøgleroller i mange grundlæggende kemiske og fysiske processer, " siger Tahara. "Så at forstå, hvordan grænsefladevand spreder energi, er afgørende for at forstå og kontrollere grænsefladefænomener på molekylært niveau."

Overfladevandsmolekyler har en hydroxylgruppe (OH), der stikker ud i luften, som er fri for hydrogenbindingsnetværket. Teamet opdagede, at overfladevandsmolekyler hovedsageligt spreder energi ved at rotere denne fremspringende OH -binding (fig. 1). Dette strider imod konventionel visdom, nemlig at overflademolekylerne kun mister energi ved at interagere med nabomolekyler.

"Denne konstatering går fuldstændig imod den eksisterende tro på, at energispredning af den frie OH fortsætter med energioverførsel, " bemærker Tahara.

Denne opdagelse vil kaste lys over dynamikken i mere end blot vandoverflader. "Vi mener, at vores fund giver et grundlag for fuldt ud at belyse dynamiske processer, herunder kemiske reaktioner, der foregår ved vandgrænsefladen, "siger Tahara.

For at gøre deres opdagelse, holdet brugte en spektroskopisk teknik, der udpeger overflademolekylerne og sonder, hvordan de ændrer sig med tiden. Det var en udfordrende måling at lave. "Dette var et vanskeligt og delikat eksperiment at udføre, "siger Tahara." Vi var nødt til at registrere femtosekund -ændringer i det svage signal, der genereres fra kun et enkelt vandlag ved luft -vand -grænsefladen, mens vi kontrollerede fasen af ​​femtosekund -laserpulserne. "

Holdet agter derefter at undersøge, hvordan de hydrogenbundne OH-grupper af grænsefladevand overfører energi. "Dette vil give os et sammenhængende og konsekvent syn på energioverførselsprocesser ved vandgrænseflader, " siger Tahara.