Chemische reacties en fysische processen waarbij wateroppervlakken betrokken zijn, zullen gemakkelijker te modelleren zijn dankzij de ontdekking door een volledig RIKEN-team van hoe de moleculen aan wateroppervlakken energie verliezen.

Water is in veel opzichten abnormaal. Bijvoorbeeld, het heeft veel hogere vries- en kookpunten dan zou worden verwacht op basis van een naïeve vergelijking met andere hydriden. De meeste van deze afwijkende eigenschappen komen voort uit de sterke elektrostatische aantrekkingskracht die een waterstofatoom voelt op een zuurstofatoom in een nabijgelegen molecuul. Door deze aantrekkingskracht ontstaan ​​waterstofbruggen tussen naburige watermoleculen.

Deze waterstofbruggen vormen een 3D-netwerk in een waterlichaam. Maar de laag moleculen die aan het oppervlak van het water ligt, verschilt van de andere moleculen doordat hij alleen waterstofbruggen vormt met moleculen die eronder liggen. Omdat deze laag maar één molecuul dik is, daar is niet veel over bekend.

Nutsvoorzieningen, Tahei Tahara van het RIKEN Molecular Spectroscopy Laboratory en zijn medewerkers hebben ontdekt hoe deze oppervlaktemoleculen energie verliezen.

"Waterinterfaces spelen een sleutelrol in veel fundamentele chemische en fysische processen, ", zegt Tahara. "Dus begrijpen hoe grensvlakwater energie verdrijft, is cruciaal voor het begrijpen en beheersen van grensvlakfenomenen op moleculair niveau."

Oppervlaktewatermoleculen hebben één hydroxylgroep (OH) die uitsteekt in de lucht, die vrij is van het waterstofbrugnetwerk. Het team ontdekte dat oppervlaktewatermoleculen voornamelijk energie dissiperen door deze uitstekende OH-binding te roteren (Fig. 1). Dit druist in tegen de conventionele wijsheid, namelijk dat de oppervlaktemoleculen alleen energie verliezen door interactie met naburige moleculen.

"Deze bevinding druist volledig in tegen de bestaande overtuiging dat energiedissipatie van de vrije OH voortgaat met energieoverdracht, " merkt Tahara op.

Deze ontdekking zal licht werpen op de dynamiek van meer dan alleen wateroppervlakken. "Wij zijn van mening dat onze bevinding een basis biedt voor het volledig ophelderen van dynamische processen, inclusief chemische reacties die plaatsvinden op het watergrensvlak, ' zegt Tahara.

Om hun ontdekking te doen, het team gebruikte een spectroscopische techniek die de oppervlaktemoleculen uitkiest en onderzoekt hoe ze in de loop van de tijd veranderen. Het was een uitdagende meting om te maken. "Dit was een moeilijk en delicaat experiment om uit te voeren, ", zegt Tahara. "We moesten femtoseconde-veranderingen detecteren in het zwakke signaal dat wordt gegenereerd door slechts een enkele waterlaag op het lucht-watergrensvlak, terwijl we de fase van de femtoseconde laserpulsen regelen."

Het team wil vervolgens onderzoeken hoe de waterstofgebonden OH-groepen van grensvlakwater energie overdragen. "Dit geeft ons een coherent en consistent beeld van energieoverdrachtsprocessen op waterinterfaces, ' zegt Tahara.