Läroboksmodeller kommer att behöva ritas om efter att ett team av forskare funnit att vattenmolekyler på saltvattenytan är organiserade annorlunda än man tidigare trott.
Många viktiga reaktioner relaterade till klimat- och miljöprocesser äger rum där vattenmolekyler gränsar till luft. Till exempel spelar avdunstning av havsvatten en viktig roll i atmosfärisk kemi och klimatvetenskap. Att förstå dessa reaktioner är avgörande för ansträngningarna att mildra den mänskliga effekten på vår planet.
Fördelningen av joner i gränsytan mellan luft och vatten kan påverka atmosfäriska processer. Men en exakt förståelse av de mikroskopiska reaktionerna vid dessa viktiga gränssnitt har hittills diskuterats intensivt.
I en artikel publicerad i tidskriften Nature Chemistry , forskare från University of Cambridge och Max Planck Institute for Polymer Research i Tyskland visar att joner och vattenmolekyler på ytan av de flesta saltvattenlösningar, kända som elektrolytlösningar, är organiserade på ett helt annat sätt än vad man traditionellt sett. Detta kan leda till bättre atmosfäriska kemiska modeller och andra tillämpningar.
Forskarna satte sig för att studera hur vattenmolekyler påverkas av fördelningen av joner vid den exakta punkten där luft och vatten möts. Traditionellt har detta gjorts med en teknik som kallas vibrational sum-frequency generation (VSFG). Med denna laserstrålningsteknik är det möjligt att mäta molekylära vibrationer direkt vid dessa nyckelgränssnitt.
Men även om styrkan på signalerna kan mätas, mäter tekniken inte om signalerna är positiva eller negativa, vilket har gjort det svårt att tolka fynd tidigare. Dessutom kan enbart experimentella data ge tvetydiga resultat.
Teamet övervann dessa utmaningar genom att använda en mer sofistikerad form av VSFG, kallad heterodyne-detekterad (HD)-VSFG, för att studera olika elektrolytlösningar. De utvecklade sedan avancerade datormodeller för att simulera gränssnitten i olika scenarier.
De kombinerade resultaten visade att både positivt laddade joner, kallade katjoner, och negativt laddade joner, kallade anjoner, är utarmade från vatten/luft-gränsytan. Katjonerna och anjonerna av enkla elektrolyter orienterar vattenmolekyler i både upp- och nedorientering. Detta är en omvändning av läroboksmodeller, som lär ut att joner bildar ett elektriskt dubbelskikt och orienterar vattenmolekyler i endast en riktning.
Medförfattaren Dr. Yair Litman, från Yusuf Hamied Department of Chemistry, sa:"Vårt arbete visar att ytan på enkla elektrolytlösningar har en annan jonfördelning än man tidigare trott och att den jonberikade underytan avgör hur gränssnittet är organiserad:längst upp finns några lager rent vatten, sedan ett jonrikt lager, sedan slutligen bulksaltlösningen."
Medförstaförfattaren Dr. Kuo-Yang Chiang vid Max Planck Institute sa:"Denna artikel visar att kombinationen av HD-VSFG på hög nivå med simuleringar är ett ovärderligt verktyg som kommer att bidra till förståelsen av vätskegränssnitt på molekylär nivå."
Professor Mischa Bonn, som leder avdelningen för molekylär spektroskopi vid Max Planck Institute, tillade:"Dessa typer av gränssnitt förekommer överallt på planeten, så att studera dem hjälper inte bara vår grundläggande förståelse utan kan också leda till bättre enheter och teknologier. Vi är att tillämpa samma metoder för att studera fasta/vätskegränssnitt, som kan ha potentiella tillämpningar inom batterier och energilagring."
Mer information: Kuo-Yang Chiang et al, Ytskiktning bestämmer gränsytans vattenstruktur för enkla elektrolytlösningar, Nature Chemistry (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01416-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01416-6
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av University of Cambridge
