Новое исследование раскрывает удивительное поведение молекул воды на поверхности соленой воды

Результаты исследования, проведенного группой ученых из Кембриджского университета и Института Макса Планка по изучению полимеров в Германии, поставили под сомнение традиционные модели поведения молекул воды на поверхности соленой воды. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Chemistry, имеют значительные последствия для экологической науки и техники.

Взаимодействие между молекулами воды и воздухом играет важнейшую роль в различных экологических процессах, включая климатологию и химию атмосферы. Например, испарение океанской воды оказывает непосредственное влияние на климат. Поэтому более глубокое понимание этих реакций необходимо для разработки эффективных стратегий по смягчению антропогенного воздействия на нашу планету.

Одна из областей, которая является предметом интенсивных дискуссий, - это распределение ионов на границе раздела воздуха и воды. Расположение ионов в этой области может существенно влиять на атмосферные процессы. Однако до сих пор не было четкого мнения о микроскопических реакциях, происходящих на этих границах.

Чтобы изучить поведение молекул воды на границе раздела вода-воздух, исследователи применили метод, называемый генерацией колебательных суммарных частот (VSFG). Хотя этот метод позволяет измерять молекулярные колебания на этих границах, он не дает информации о полярности сигналов. Это ограничение затрудняло точную интерпретацию предыдущих результатов.

Чтобы преодолеть это препятствие, команда использовала более совершенную форму КСФГ, известную как КСФГ с гетеродинным детектированием (HD)-КСФГ. Эта техника позволила им изучить различные растворы электролитов и получить более точные измерения. Кроме того, исследователи разработали сложные компьютерные модели для моделирования различных сценариев на границе раздела фаз.

Объединенные результаты экспериментов и моделирования показали значительное отклонение от традиционных моделей. Вопреки предыдущим предположениям, оказалось, что на границе раздела фаз вода/воздух истощаются как положительно заряженные ионы (катионы), так и отрицательно заряженные ионы (анионы). Более того, было замечено, что ионы простых электролитов ориентируют молекулы воды как в направлении вверх, так и вниз, что противоречит существовавшему ранее представлению о том, что ионы влияют на ориентацию молекул воды только в одном направлении.

Доктор Яир Литман, один из первых авторов исследования, пояснил: "Наша работа показывает, что поверхность простых растворов электролитов имеет иное распределение ионов, чем считалось ранее, и что обогащенный ионами подповерхностный слой определяет, как устроен интерфейс: в самом верху есть несколько слоев чистой воды, затем слой, богатый ионами, и, наконец, основной солевой раствор".

Эти революционные выводы имеют далеко идущие последствия для экологической науки и техники. Пересмотр понимания взаимодействия воды и воздуха может привести к улучшению моделей химии атмосферы, что позволит ученым делать более точные прогнозы относительно климатических моделей и экологических процессов. Эти знания также могут послужить основой для разработки инновационных технологий, направленных на смягчение антропогенного воздействия на планету.

В заключение следует отметить, что данное исследование поставило под сомнение общепринятые представления о поведении молекул воды на поверхности соленой воды. Используя передовые методы исследования и компьютерные модели, ученые открыли новый взгляд на организацию ионов и молекул воды на границе раздела воздуха и воды. Это открытие имеет значительные последствия для различных областей, включая климатологию и экологические технологии.