Novatoriški tyrimai rodo, kad vandens molekulės sūraus vandens paviršiuje elgiasi kitaip, nei manyta anksčiau, todėl aplinkos mokslui ir technologijoms atsiveria naujos perspektyvos.

Vadovėlių modelius reikės perbraižyti po to, kai tyrėjų komanda išsiaiškino, kad vandens molekulės sūraus vandens paviršiuje yra sutvarkytos kitaip, nei manyta anksčiau.

Daug svarbių sąveikų, susijusių su klimato ir aplinkos procesais, vyksta, kai vandens molekulės sąveikauja su oru. Pavyzdžiui, vandenyno garavimas vaidina svarbų vaidmenį atmosferos chemijoje ir klimato moksle. Šių atsakymų supratimas yra labai svarbus siekiant sumažinti žmogaus poveikį mūsų planetai.

Jonų pasiskirstymas oro ir vandens sąsajoje gali turėti įtakos atmosferos procesams. Tačiau iki šiol buvo plačiai aptariamas tikslus mikroskopinių sąveikų šiose svarbiose sąsajose supratimas.

Grafinis skysčio ir oro sąsajos natrio chlorido tirpale vaizdas. Kreditas: Yair Litman

Inovatyvūs paieškos būdai

Šiandien (sausio 15 d.) žurnale paskelbtame tyrime Gamtos chemijaKembridžo universiteto ir Maxo Plancko polimerų tyrimų instituto Vokietijoje mokslininkai parodė, kad daugumos sūraus vandens tirpalų, vadinamų elektrolitais, paviršiuje esantys jonai ir vandens molekulės yra sutvarkytos labai skirtingai, nei įprasta suprasti. Tai galėtų padėti sukurti geresnius atmosferos chemijos ir kitų pritaikymų modelius.

Tyrėjai nusprendė ištirti, kaip vandens molekules veikia jonų pasiskirstymas tam tikrame oro ir vandens susitikimo taške. Tradiciškai tai atliekama naudojant techniką, vadinamą vibracinio dažnio sumos generavimu (VSFG). Naudojant lazerio spinduliuotės technologiją, šiose pagrindinėse sąsajose galima tiesiogiai išmatuoti molekulinius virpesius. Tačiau, nors ir įmanoma išmatuoti signalų stiprumą, ši technika nemato, ar signalai yra teigiami ar neigiami, todėl anksčiau buvo sunku interpretuoti rezultatus. Be to, vien eksperimentinių duomenų naudojimas gali duoti dviprasmiškų rezultatų.

Komanda įveikė šiuos iššūkius naudodama pažangesnę VSFG formą, vadinamą heterodinų aptiktu (HD)-VSFG, kad ištirtų skirtingus elektrolitų tirpalus. Tada jie sukūrė pažangius kompiuterinius modelius, skirtus fasadams imituoti įvairiais scenarijais.

Tradicinių modelių revoliucija

Sujungti rezultatai parodė, kad tiek teigiamai įkrauti jonai, vadinami katijonais, tiek neigiamo krūvio jonai, vadinami anijonais, yra išeikvoti iš vandens ir oro sąsajos. Paprastuose elektrolituose esantys katijonai ir anijonai nukreipia vandens molekules aukštyn ir žemyn. Tai yra priešinga vadovėlių modeliams, kuriuose mokoma, kad jonai sudaro elektrinį dvigubą sluoksnį ir nukreipia vandens molekules tik viena kryptimi.

Pirmasis autorius, daktaras Yairas Litmanas iš Yosefo Hamido chemijos katedros, sakė: „Mūsų darbas rodo, kad paprastų elektrolitų tirpalų paviršius turi skirtingą jonų pasiskirstymą, nei manyta anksčiau, ir kad jonais praturtintas apatinis paviršius lemia sąsają. Viršuje yra keli vandens sluoksniai.

Pirmasis autorius dr Kuo Yangqiang iš Max Planck instituto sakė: „Šis dokumentas rodo, kad aukšto lygio HD-VSFG ir modeliavimo derinys yra neįkainojama priemonė, kuri padės suprasti skysčių sąsajas molekuliniu lygiu.

Profesorius Mischa Poon, vadovaujantis Maxo Plancko instituto Molekulinės spektroskopijos katedrai, pridūrė: „Tokio tipo sąsajos yra visur planetoje, todėl jų studijavimas ne tik padeda suprasti pagrindinį supratimą, bet ir gali padėti sukurti geresnius įrenginius ir technologijas. .

Nuoroda: „Paviršiaus stratifikacija lemia paprastų elektrolitų tirpalų paviršiaus vandeninę struktūrą“ 2024 m. sausio 15 d. Gamtos chemija.
doi: 10.1038/s41557-023-01416-6