Forskare från AMOLF och schweiziska EPFL har visat att ytan på små vattendroppar omgiven av en hydrofob substans som olja är överraskande ordnad. Vid rumstemperatur, ytvattenmolekylerna hos dessa droppar har mycket starkare interaktioner än vid en vanlig vattenyta. Detta kan kasta nytt ljus över en mängd olika atmosfäriska, biologiska och till och med geologiska processer.

Nanometriska vattendroppar finns överallt-i luften som droppar eller aerosoler, i industriellt producerade mediciner, och inom stenar och oljefält. För att förstå beteendet hos dessa droppar, det är nödvändigt att veta hur de interagerar med sin hydrofoba miljö. Denna interaktion sker vid det krökta droppgränssnittet, en sub-nanometrisk region som omger den lilla fickan med vatten. Forskare från EPFL, i samarbete med institutet AMOLF i Nederländerna har upptäckt att molekyler på dropparnas yta var mycket mer ordnade än förväntat. Deras överraskande resultat har publicerats i Naturkommunikation . De banar väg för en bättre förståelse av atmosfäriska, biologiska och geologiska processer.

Unikt perspektiv på små droppar

På EPFL, Sylvie Roke har utvecklat en unik metod för att undersöka dropparnas yta en tusendel tjockleken på ett människohår, med en volym av en attoliter (10 ⁻¹⁸ liter). "Metoden går ut på att överlappa ultrakorte laserpulser i en blandning av vattendroppar i flytande olja och detektera fotoner som bara sprids från gränssnittet", förklarar Roke. "Dessa fotoner har sumfrekvensen för de inkommande fotonerna och har därmed en annan färg. Med denna nybildade färg, vi kan bestämma gränssnittets struktur. "

Vätebindning lika stark som i is

Ytan på vattendropparna visar sig vara mycket mer ordnad än normalt vatten, och är jämförbart med superkyldt vatten där molekylerna har mycket starka vätebindningsinteraktioner. I is, dessa interaktioner leder till en stabil tetraedrisk konfiguration som omger varje vattenmolekyl. Förvånande, denna typ av struktur hittades på dropparnas yta även vid rumstemperatur - 50 ° C ovan om den normalt skulle visas.

Kemiska processer

Denna forskning ger värdefull inblick i egenskaperna hos nanometriska vattendroppar. "De dropparnas kemiska egenskaper beror på hur vattenmolekylerna är organiserade på ytan, så det är verkligen viktigt att förstå vad som händer där, "förklarade Roke. Ytterligare forskning kan rikta in sig på vattendropparnas ytegenskaper med tillsats av salt, en mer realistisk modell av marina aerosoler som består av saltvatten omgiven av en hydrofob miljö. Salt kan antingen förbättra vattennätet eller minska dess styrka. "Eller, det kanske inte gör någonting alls. Med tanke på de överraskande resultaten som finns här, vi kan bara spekulera, säger Roke.