Infrarött ljusspektra (rött), tung (blå), halvtungt (grått) vatten, och joniska arter som har identifierats i den aktuella studien. Röd, vita och svarta cirklar visar syre, väte- och deuteriumatomer, respektive. Pilar visar riktningarna för artens vibrationsdeformation. Kredit:Skoltech
Skoltech-forskare i samarbete med forskare från universitetet i Stuttgart visade att koncentrationen av kortlivade joner (H 3 O + och OH - ) i rent flytande vatten är mycket högre än vad som antas för att utvärdera pH, därmed väsentligt förändra vår förståelse av vattnets dynamiska struktur.
Inneboende joniska arter av flytande vatten spelar en viktig roll i redoxprocesserna, katalytiska reaktioner och elektrokemiska system. En lågbarriärtunnling av väteatomer mellan H 2 O molekyler, orsakad av kärnkraftskvanteffekter, förväntas generera kortlivade överskott av protontillstånd. Dock, hittills, det har inte funnits någon information om koncentrationen av sådana överskott av protontillstånd i rent vatten.
Skoltech-forskare i samarbete med tyska forskare mätte den jonmolekylära sammansättningen av flytande vatten på en tidsskala under pikosekund. Resultatet överraskade forskarna när de observerade att upp till flera procent av H 2 O-molekyler joniserades tillfälligt.
"Vi använde vattenisotopologer:vanliga (H 2 O), tung (D 2 O), och halvtungt (HDO) vatten, för att identifiera överskottsprotontillstånd. Genom att gradvis ersätta väteatomerna (H) med deuterium (D), vi ändrade den relativa koncentrationen av överskottsprotonrelaterade arter, som HD 2 O + , DH 2 O + , H 3 O + och D 3 O + , och identifierade deras bidrag till den kumulativa infraröda absorptionen. Vi hittade koncentrationsberoende spektrala egenskaper nära molekylära böjningslägen för halvtunga vattenspektra som ingen känd modell kunde förklara. Vi förknippade dessa funktioner med överskott av protoner som kan förväntas existera på pikosekundtidsskalan, sa en av medförfattarna, Prof. Henni Ouerdane från Skoltech Center for Energy Science and Technology (CEST).
"Medan tidigare studier av vattenstruktur baserades på kristallografiska experiment, och återspeglade inte vattnets dynamik, vår forskning ger nya insikter om den intrikata vattenstrukturen på ultrakort tidsskala. Fyndet förutser nya effekter av elektriska fältinteraktion med vatten, såväl som andra avvikande egenskaper hos vatten, avslutade huvudförfattaren, Dr. Vasilij Artemov, Senior forskare vid CEST.
