Ионная аномалия: молекулы воды на границе сред ведут себя совсем не так, как мы представляли

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, показывает, что водные молекулы на поверхности морской воды организованы совсем не так, как считалось ранее.

Многие важные реакции, связанные с климатом и процессами окружающей среды, происходят там, где молекулы воды взаимодействуют с воздухом. Например, испарение океанской воды играет важную роль в химии атмосферы и климатологии. Понимание этих реакций имеет решающее значение для усилий по смягчению воздействия человека на нашу планету.

Исследователи из Кембриджского университета и Института полимерных исследований Макса Планка использовали усовершенствованную технику гетеродин-детектированной вибрационной сумм-частотной генерации (HD-VSFG) для изучения распределения ионов на границе раздела воздуха и воды.

Учёные обнаружили, что как положительно заряженные ионы, называемые катионами, так и отрицательно заряженные ионы, называемые анионами, удаляются с поверхности раздела вода / воздух. Катионы и анионы простых электролитов ориентируют молекулы воды как вверх, так и вниз, что полностью противоречит учебным моделям, которые учат, что ионы образуют двойной электрический слой и ориентируют молекулы воды только в одном направлении.

Доктор Яир Литман из Кембриджского университета отмечает, что поверхность простых электролитных растворов имеет иное распределение ионов, чем считалось ранее. «На самом верху — несколько слоёв чистой воды, за ними следует ионно-насыщенный слой, а затем — основной солевой раствор», — поясняет Литман.

Доктор Куо-Ян Чан из Института Макса Планка добавляет, что сочетание HD-VSFG с компьютерным моделированием представляет ценный инструмент для понимания молекулярной структуры границ раздела сред.

Профессор Миша Бонн из того же института подчёркивает, что такие исследования помогут не только в фундаментальном понимании этих процессов, но и приведут к разработке более эффективных устройств и технологий. Как было отмечено, специалисты также применяют эти методы для изучения границ раздела жидкостей с твёрдыми телами, что может найти применение в области аккумуляторов и хранения энергии.

Точное понимание микроскопических реакций на границах веществ до сих пор было предметом оживлённых дебатов в научном сообществе. Традиционные методы, такие как вибрационная сумм-частотная генерация (VSFG), не позволяли точно интерпретировать результат из-за его неоднозначности. Однако новый метод HD-VSFG, в сочетании с развитыми компьютерными моделями, позволил исследователям преодолеть эти трудности.

Результаты работы могут способствовать созданию более точных моделей атмосферной химии, что важно для разработки стратегий по смягчению воздействия человека на климат Земли.