Kemiska reaktioner och fysikaliska processer som involverar vattenytor kommer att bli lättare att modellera tack vare upptäckten av ett all-RIKEN-team av hur molekylerna vid vattenytor förlorar energi.

Vatten är anomalt på många sätt. Till exempel, den har mycket högre frys- och kokpunkter än vad man kan förvänta sig baserat på en naiv jämförelse med andra hydrider. De flesta av dessa anomala egenskaper härrör från den starka elektrostatiska dragningen som en väteatom känner för en syreatom i en närliggande molekyl. Denna attraktionskraft ger upphov till vätebindningar mellan närliggande vattenmolekyler.

Dessa vätebindningar bildar ett 3D-nätverk i en vattenkropp. Men lagret av molekyler som ligger vid vattnets yta skiljer sig från de andra molekylerna genom att det bildar vätebindningar endast med molekyler som ligger under det. Eftersom detta lager bara är en molekyl tjockt, inte mycket är känt om det.

Nu, Tahei Tahara från RIKEN Molecular Spectroscopy Laboratory och hans medarbetare har upptäckt hur dessa ytmolekyler förlorar energi.

"Vattengränssnitt spelar nyckelroller i många grundläggande kemiska och fysikaliska processer, "säger Tahara." Så att förstå hur gränssnittsvatten sprider energi är avgörande för att förstå och kontrollera gränssnittsfenomen på molekylär nivå. "

Ytvattenmolekyler har en hydroxylgrupp (OH) som sticker ut i luften, som är fri från vätebindningsnätverket. Teamet upptäckte att ytvattenmolekyler huvudsakligen skingra energi genom att rotera denna utskjutande OH-bindning (Fig. 1). Detta går emot konventionell visdom, nämligen att ytmolekylerna förlorar energi endast genom att interagera med närliggande molekyler.

"Detta fynd går helt emot den befintliga uppfattningen att energiförlusten av den fria OH fortsätter med energiöverföring, " konstaterar Tahara.

Denna upptäckt kommer att belysa dynamiken hos mer än bara vattenytor. "Vi tror att vårt fynd ger en grund för att helt belysa dynamiska processer inklusive kemiska reaktioner som pågår vid vattengränsytan, säger Tahara.

För att göra sin upptäckt, teamet använde en spektroskopisk teknik som pekar ut ytmolekylerna och sonderar hur de förändras med tiden. Det var en utmanande mätning att göra. "Detta var ett svårt och delikat experiment att utföra, " säger Tahara. "Vi var tvungna att upptäcka femtosekundsförändringar i den svaga signalen som genererades från bara ett enda vattenskikt vid luft-vattengränssnittet samtidigt som vi kontrollerade fasen för femtosekundlaserpulserna."

Teamet avser sedan att undersöka hur de vätebundna OH-grupperna i gränssnittsvatten överför energi. "Detta kommer att ge oss en sammanhängande och konsekvent syn på energiöverföringsprocesser vid vattengränssnitt, säger Tahara.