Екип изследователи установи, че водните молекули на повърхността на солената вода са организирани по различен начин, който не отговаря на досегашните представи.

Много важни реакции, свързани с климата и процесите в околната среда, протичат там, където водните молекули взаимодействат с въздуха. Например изпарението на океанската вода играе важна роля в атмосферната химия и науката за климата. Разбирането на тези реакции е от решаващо значение за усилията за смекчаване на човешкото въздействие върху нашата планета.

Разпределението на йоните на границата между въздуха и водата може да повлияе на атмосферните процеси. Въпреки това, точното разбиране на микроскопичните реакции на тези важни взаимодействия досега е било предмет на интензивни дискусии.

В статия с първи автор д-р Яир Литман (Yair Litman), публикувана в списание Nature Chemistry, изследователи от Университета в Кеймбридж и Института за изследване на полимерите "Макс Планк" в Германия показват, че йоните и водните молекули на повърхността на повечето солено-водни разтвори, познати като електролитни разтвори, са организирани по напълно различен от традиционно възприетия начин. Това може да доведе до по-добри модели на атмосферната химия и други приложения.

По-усъвършенствана техника

Изследователите си поставят за цел да проучат как водните молекули се влияят от разпределението на йоните точно в мястото, където се срещат въздухът и водата. Традиционно това се прави с техника, наречена генериране на вибрационна сумарна честота (VSFG - vibrational sum-frequency generation). С тази техника на лазерно излъчване е възможно да се измерят молекулярните вибрации директно в тези ключови граници на взаимодействие.

Въпреки че силата на сигналите може да бъде измерена, техниката не измерва дали сигналите са положителни или отрицателни, което затруднява тълкуването на резултатите в миналото. Освен това използването само на експериментални данни може да даде двусмислени резултати.

Екипът преодолява тези предизвикателства, като използва по-сложна форма на VSFG, наречена (HD)-VSFG, за да изследва различни електролитни разтвори. След това са разработени усъвършенствани компютърни модели за симулиране на взаимодействията при различни сценарии.

Комбинираните резултати

Комбинираните резултати показват, че от границата на взаимодействие (интерфейса) вода/въздух се изчерпват както положително заредени йони, наречени катиони, така и отрицателно заредени йони, наречени аниони. Катионите и анионите на простите електролити ориентират водните молекули както в посока нагоре, така и в посока надолу. Това е обратното на моделите в учебниците, според които йоните образуват двоен електрически слой и ориентират водните молекули само в една посока.

Резултатите показват, че йоните в типичните електролитни разтвори всъщност са разположени в подповърхностна област, което води до стратификация на такива интерфейси в два отличителни водни слоя. Най-външната повърхност е обеднена на йони, а подповърхностният слой е обогатен на йони. Тази повърхностна стратификация е ключов елемент в обяснението на предизвиканата от йони реорганизация на водата в най-външния интерфейс въздух/вода. Кредит: Yair Litman et al

"Нашата работа показва, че повърхността на разтворите на прости електролити има различно разпределение на йоните, отколкото се смяташе досега, и че обогатената с йони подповърхност определя как е организирана границата: най-отгоре има няколко слоя чиста вода, след това слой, богат на йони, и накрая обемният солен разтвор", обяснява съавторът Юсуф Хамид (Yusuf Hamied). 

Професор Миша Бон (Mischa Bonn), който оглавява отдела за молекулярна спектроскопия в Института "Макс Планк", добавя:

"Тези видове интерфейси се срещат навсякъде на планетата, така че изучаването им не само помага за фундаменталното ни разбиране, но може да доведе и до по-добри устройства и технологии. Прилагаме същите методи за изучаване на интерфейсите твърдо/течно вещество, които биха могли да имат потенциални приложения в батериите и съхранението на енергия."

Справка: Kuo-Yang Chiang et al, Surface stratification determines the interfacial water structure of simple electrolyte solutions, Nature Chemistry (2024). DOI: 10.1038/s41557-023-01416-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01416-6

Източник: Water molecule discovery contradicts textbook models, University of Cambridge

Още по темата

02/11/2023

Физика

Водата може да се изпари само със светлина, без топлина, показва изненадващо откритие

10/03/2023

Космос

Водата в Слънчева система е възникнала милиарди години преди Слънцето (видео)

22/02/2023

Физика

Нова форма на солен лед може да покрива загадъчните луни на Юпитер и Нептун

20/02/2023

Скептик

Памет на водата или как ни промиват мозъка