Leerboekmodellen zullen opnieuw moeten worden getekend nadat een team van onderzoekers heeft ontdekt dat watermoleculen aan het oppervlak van zout water anders zijn georganiseerd dan eerder werd gedacht.

Veel belangrijke reacties die verband houden met klimaat- en milieuprocessen vinden plaats waar watermoleculen in aanraking komen met lucht. De verdamping van oceaanwater speelt bijvoorbeeld een belangrijke rol in de atmosferische chemie en klimaatwetenschap. Het begrijpen van deze reacties is van cruciaal belang voor de inspanningen om de menselijke gevolgen voor onze planeet te verzachten.

De verdeling van ionen op het grensvlak van lucht en water kan atmosferische processen beïnvloeden. Over een precies begrip van de microscopische reacties op deze belangrijke grensvlakken is tot nu toe echter intensief gedebatteerd.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en het Max Planck Instituut voor Polymeeronderzoek in Duitsland laten zien dat ionen en watermoleculen aan het oppervlak van de meeste zoutwateroplossingen, bekend als elektrolytoplossingen, op een heel andere manier georganiseerd zijn dan traditioneel wordt begrepen. Dit zou kunnen leiden tot betere atmosferische chemiemodellen en andere toepassingen.

Een meer geavanceerde techniek

De onderzoekers wilden bestuderen hoe watermoleculen worden beïnvloed door de verdeling van ionen op het exacte punt waar lucht en water elkaar ontmoeten. Traditioneel wordt dit gedaan met een techniek die vibrationele somfrequentiegeneratie (VSFG) wordt genoemd. Met deze laserstralingstechniek is het mogelijk om moleculaire trillingen direct op deze belangrijke grensvlakken te meten.

Hoewel de sterkte van de signalen kan worden gemeten, meet de techniek echter niet of de signalen positief of negatief zijn, wat het interpreteren van bevindingen uit het verleden lastig maakte. Bovendien kan het gebruik van alleen experimentele gegevens dubbelzinnige resultaten opleveren.

Het team overwon deze uitdagingen door gebruik te maken van een meer geavanceerde vorm van VSFG, genaamd heterodyne-detected (HD)-VSFG, om verschillende elektrolytoplossingen te bestuderen. Vervolgens ontwikkelden ze geavanceerde computermodellen om de interfaces in verschillende scenario's te simuleren.

De gecombineerde resultaten toonden aan dat zowel positief geladen ionen, kationen genoemd, als negatief geladen ionen, anionen genoemd, zijn uitgeput uit het water/lucht-grensvlak. De kationen en anionen van eenvoudige elektrolyten oriënteren watermoleculen in zowel opwaartse als neerwaartse oriëntatie. Dit is een omkering van leerboekmodellen, die leren dat ionen een elektrische dubbele laag vormen en watermoleculen slechts in één richting oriënteren.

Co-eerste auteur Dr. Yair Litman, van het Yusuf Hamied Department of Chemistry, zei:"Ons werk toont aan dat het oppervlak van eenvoudige elektrolytoplossingen een andere ionenverdeling heeft dan eerder werd gedacht en dat de met ionen verrijkte ondergrond bepaalt hoe het grensvlak is georganiseerd:helemaal bovenaan bevinden zich een paar lagen zuiver water, dan een ionenrijke laag en ten slotte de bulkzoutoplossing."

Co-eerste auteur Dr. Kuo-Yang Chiang van het Max Planck Instituut zei:"Dit artikel laat zien dat het combineren van HD-VSFG op hoog niveau met simulaties een hulpmiddel van onschatbare waarde is dat zal bijdragen aan het begrip van vloeistofinterfaces op moleculair niveau." /P>

Professor Mischa Bonn, hoofd van de afdeling Moleculaire Spectroscopie van het Max Planck Instituut, voegde hieraan toe:“Dit soort interfaces komen overal op de planeet voor, dus het bestuderen ervan draagt ​​niet alleen bij aan ons fundamentele begrip, maar kan ook leiden tot betere apparaten en technologieën. het toepassen van dezelfde methoden om vast/vloeistof-grensvlakken te bestuderen, die potentiële toepassingen zouden kunnen hebben in batterijen en energieopslag."

Meer informatie: Kuo-Yang Chiang et al, Oppervlaktestratificatie bepaalt de grensvlakwaterstructuur van eenvoudige elektrolytoplossingen, Natuurchemie (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01416-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01416-6

Journaalinformatie: Natuurchemie

Aangeboden door Universiteit van Cambridge