Med hjälp av en avancerad teknik, forskare från RIKEN-klustret för banbrytande forskning har visat att en kemisk reaktion som drivs av ljus sker tiotusen gånger snabbare vid gränssnittet mellan luft och vatten – det vi brukar kalla vattenytan – än i huvuddelen av vattnet, även när ljuset har motsvarande energi. Detta fynd kan hjälpa oss att förstå de många viktiga kemiska och biologiska processer som äger rum vid vattenytan.

Vatten är den viktigaste vätskan i naturen, och forskning har visat att det faktiskt är något speciellt med gränssnittet. Av skäl som inte var väl förstått, det verkar som att vissa kemiska reaktioner sker lätt när molekylerna är delvis i vattnet, men inte när de är helt upplösta.

En fråga som hämmar förståelsen är att hur kemiska reaktioner faktiskt fortskrider vid gränssnittet inte är väl förstått. För att undersöka detta, RIKEN-gruppen använde en avancerad teknik som kallas ultrasnabb faskänslig gränssnittsselektiv vibrationsspektroskopi. Det är en munfull, men i huvudsak betyder det att du kan få en höghastighetsfilm av de mellanliggande molekylerna som skapas när en kemisk reaktion äger rum vid ett gränssnitt. I detta fall, "höghastighet" betyder ungefär hundra femtosekunder, eller mindre än en biljondels sekund.

Med hjälp av metoden, de analyserade fotojoniseringen av fenol, en reaktion som har studerats väl i bulkvatten, med likvärdiga höghastighetspulser av ultraviolett ljus. Experimenten visade att samma reaktion ägde rum vid gränssnittet men att på grund av skillnader i förhållandena där, reaktionen skedde ungefär tio tusen gånger snabbare.

Enligt Satoshi Nihonyanagi, en av författarna till studien, publiceras i Naturkemi , "Det var spännande att se att reaktionshastigheten för fenol är så fenomenalt annorlunda, men dessutom vår metod för att direkt observera kemiska reaktioner vid vattenytan i realtid kan också tillämpas på andra reaktioner, och kan hjälpa oss att få en bättre förståelse för hur reaktioner fortskrider i denna speciella miljö."

Enligt Tahei Tahara, ledaren för forskargruppen, "Det faktum att det finns en 10, 000-faldig skillnad i reaktionshastigheten för en grundläggande organisk molekyl som fenol mellan bulkvattnet och vattenytan är också mycket viktig för katalytisk kemi, det studieområde som syftar till att främja och kontrollera kemiska reaktioner. Dessutom, vatten i naturen existerar som havsvatten, som har bubblor och aerosoler, har således en stor yta. Vårt arbete kan hjälpa oss att förstå hur molekyler adsorberas på vattenytan, leder till kemiska reaktioner som har en enorm inverkan på den globala miljön."