Het is een populaire traditie om munten in fonteinen te gooien in de hoop dat wensen worden ingewilligd. Maar wat zou er gebeuren als je in plaats daarvan elektronen in het water zou kunnen 'gooien'? Dat is, wat gebeurt er kort nadat een elektron in water is geïnjecteerd?

Deze decennia-oude vraag heeft nu een antwoord, dankzij een artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 16 januari. De studie is het resultaat van een samenwerking tussen onderzoekers van de Universiteit van Chicago, het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) Argonne en Lawrence Livermore National Laboratories, en de Universiteit van Californië-San Diego.

Tot nu, wetenschappers stonden voor technische uitdagingen toen ze experimenteel de elektronenaffiniteit van water wilden meten, zei professor Giulia Galli, Liew Family Professor aan het Institute for Molecular Engineering aan de University of Chicago en senior scientist bij Argonne.

"De meeste resultaten die in de literatuur worden geciteerd als experimentele getallen, zijn eigenlijk waarden die zijn verkregen door enkele gemeten hoeveelheden te combineren met ruwe theoretische schattingen, " ze zei.

Nauwkeurige theoretische metingen, anderzijds, enige tijd buiten bereik zijn geweest vanwege de moeilijkheid en hoge rekenkosten om de interacties direct te simuleren, zei professor Francesco Paesani van de Universiteit van Californië-San Diego, een co-auteur van de studie die jaren heeft besteed aan het ontwikkelen van een nauwkeurig potentieel voor het modelleren van vloeibaar water.

Het door Paesani ontwikkelde interactiepotentieel tussen watermoleculen werd gebruikt om de structuur van zowel vloeibaar water als het wateroppervlak te modelleren. Toen de structuur eenmaal was bereikt, zeer nauwkeurige theoretische methoden en software om aangeslagen toestanden van materie te bestuderen, ontwikkeld door het team van Galli, werden gebruikt om te begrijpen wat er gebeurt als een elektron in water wordt geïnjecteerd.

Fundamenteel, de onderzoekers probeerden te begrijpen of het elektron zich in de vloeistof bevindt en uiteindelijk deelneemt aan chemische reacties. De centrale vraag was, "Verbindt de vloeistof zich meteen met het elektron?"

De onderzoekers ontdekten dat het elektron zich bindt met het water; echter, zijn bindende energie is veel kleiner dan eerder werd gedacht. Dit bracht de onderzoekers ertoe een aantal algemeen aanvaarde gegevens en modellen voor de elektronenaffiniteit van water opnieuw te bekijken.

Galli en haar collega's hebben in de loop der jaren de methoden voor aangeslagen toestanden ontwikkeld die in dit onderzoek zijn gebruikt. in samenwerking met T.A. Pham, van Lawrence Livermore, en Marco Govoni, uit Argonne, beiden zijn co-auteurs van deze studie.

"Met behulp van de software die is ontwikkeld om aangeslagen toestandsverschijnselen te bestuderen in realistische systemen (genaamd Without Empty STates, of WEST) en de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), we waren eindelijk in staat om gegevens te genereren voor monsters die zowel groot genoeg als op voldoende lange tijdschalen waren om de elektronenaffiniteit van vloeibaar water te bestuderen, ' zei Govoni.

"We vonden grote verschillen tussen de affiniteit aan het oppervlak en in de bulkvloeistof. We vonden ook waarden die anders waren dan in de literatuur geaccepteerd, wat ons ertoe aanzette om het volledige energiediagram van een elektron in water opnieuw te bekijken, ' voegde Pham eraan toe.

Deze bevinding heeft belangrijke gevolgen, zowel voor wetenschappers die de eigenschappen van water fundamenteel willen begrijpen als voor degenen die reductie-/oxidatiereacties in waterige oplossingen willen beschrijven, die wijdverbreid zijn in de chemie en biologie.

Vooral, wetenschappers gebruiken vaak informatie over de energieniveaus van water wanneer ze materialen screenen op foto-elektrochemische cellen. Een betrouwbare schatting van de waterelektronenaffiniteit (die de onderzoekers van het onderzoek hebben geleverd voor zowel bulkwater als het oppervlak ervan) zal wetenschappers helpen om computationele protocollen op te stellen die robuuster en betrouwbaarder zijn, en de computationele screening van materialen te verbeteren.