Opdagelse af vandmolekyler modsiger lærebogsmodeller

Lærebogsmodeller skal tegnes om, efter at et team af forskere har fundet ud af, at vandmolekyler ved overfladen af ​​saltvand er organiseret anderledes end tidligere antaget.

Mange vigtige reaktioner relateret til klima- og miljøprocesser finder sted, hvor vandmolekyler interagerer med luft. For eksempel spiller fordampningen af ​​havvand en vigtig rolle i atmosfærisk kemi og klimavidenskab. At forstå disse reaktioner er afgørende for bestræbelserne på at afbøde den menneskelige virkning på vores planet.

Fordelingen af ​​ioner på grænsefladen mellem luft og vand kan påvirke atmosfæriske processer. En præcis forståelse af de mikroskopiske reaktioner ved disse vigtige grænseflader har dog hidtil været intenst diskuteret.

I et papir offentliggjort i tidsskriftet Nature Chemistry , viser forskere fra University of Cambridge og Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland, at ioner og vandmolekyler ved overfladen af ​​de fleste saltvandsopløsninger, kendt som elektrolytopløsninger, er organiseret på en helt anden måde end traditionelt forstået. Dette kunne føre til bedre atmosfæriske kemiske modeller og andre applikationer.

En mere sofistikeret teknik

Forskerne satte sig for at undersøge, hvordan vandmolekyler påvirkes af fordelingen af ​​ioner på det nøjagtige punkt, hvor luft og vand mødes. Traditionelt er dette blevet gjort med en teknik kaldet vibrational sum-frequency generation (VSFG). Med denne laserstrålingsteknik er det muligt at måle molekylære vibrationer direkte ved disse nøglegrænseflader.

Men selvom styrken af ​​signalerne kan måles, måler teknikken ikke, om signalerne er positive eller negative, hvilket har gjort det vanskeligt at fortolke fund tidligere. Derudover kan brug af eksperimentelle data alene give tvetydige resultater.

Holdet overvandt disse udfordringer ved at bruge en mere sofistikeret form for VSFG, kaldet heterodyne-detekteret (HD)-VSFG, til at studere forskellige elektrolytløsninger. De udviklede derefter avancerede computermodeller til at simulere grænseflader i forskellige scenarier.

De kombinerede resultater viste, at både positivt ladede ioner, kaldet kationer, og negativt ladede ioner, kaldet anioner, udtømmes fra vand/luft-grænsefladen. Kationer og anioner af simple elektrolytter orienterer vandmolekyler i både op- og ned-orientering. Dette er en vending af lærebogsmodeller, som lærer, at ioner danner et elektrisk dobbeltlag og orienterer vandmolekyler i kun én retning.

Medforfatter Dr. Yair Litman, fra Yusuf Hamied Department of Chemistry, sagde:"Vores arbejde viser, at overfladen af ​​simple elektrolytopløsninger har en anden ionfordeling end tidligere antaget, og at den ionberigede undergrund bestemmer, hvordan grænsefladen er organiseret:Helt i toppen er der et par lag rent vand, derefter et ionrigt lag, så til sidst den store saltopløsning."

Medforfatter Dr. Kuo-Yang Chiang fra Max Planck Institute sagde:"Dette papir viser, at kombinationen af ​​HD-VSFG på højt niveau med simuleringer er et uvurderligt værktøj, der vil bidrage til forståelsen af ​​væskegrænseflader på molekylært niveau."

Professor Mischa Bonn, som leder afdelingen for molekylær spektroskopi på Max Planck Institute, tilføjede:"Disse typer grænseflader forekommer overalt på planeten, så at studere dem hjælper ikke kun vores grundlæggende forståelse, men kan også føre til bedre enheder og teknologier. Vi er at anvende de samme metoder til at studere faste/væske-grænseflader, som kunne have potentielle anvendelser inden for batterier og energilagring."

Flere oplysninger: Kuo-Yang Chiang et al., Overfladestratificering bestemmer grænsefladevandstrukturen af ​​simple elektrolytopløsninger, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01416-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01416-6

Journaloplysninger: Naturkemi

Leveret af University of Cambridge