Entdeckung des Wassermoleküls widerspricht Lehrbuchmodellen

Bahnbrechende Forschungen zeigen, dass sich Wassermoleküle auf der Oberfläche von Salzwasser anders verhalten als bisher angenommen, was der Umweltwissenschaft und -technologie neue Perspektiven eröffnet.

Lehrbuchmodelle müssen neu gezeichnet werden, nachdem ein Forscherteam herausgefunden hat, dass Wassermoleküle auf der Oberfläche von Salzwasser anders organisiert sind als bisher angenommen.

Viele wichtige Wechselwirkungen im Zusammenhang mit Klima- und Umweltprozessen treten auf, wenn Wassermoleküle mit Luft interagieren. Beispielsweise spielt die Verdunstung der Ozeane eine wichtige Rolle in der Chemie der Atmosphäre und in den Klimawissenschaften. Das Verständnis dieser Reaktionen ist von entscheidender Bedeutung für die Bemühungen, die menschlichen Auswirkungen auf unseren Planeten zu mildern.

Die Verteilung von Ionen an der Luft-Wasser-Grenzfläche kann atmosphärische Prozesse beeinflussen. Ein genaues Verständnis der mikroskopischen Wechselwirkungen an diesen wichtigen Grenzflächen wurde jedoch bisher ausführlich diskutiert.

Grafische Darstellung der Flüssigkeits-Luft-Grenzfläche in einer Natriumchloridlösung. Bildnachweis: Yair Litman

Innovative Suchtechniken

In einer heute (15. Januar) in der Zeitschrift veröffentlichten Studie NaturchemieForscher der Universität Cambridge und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Deutschland haben gezeigt, dass die Ionen und Wassermoleküle auf der Oberfläche der meisten Salzwasserlösungen, sogenannte Elektrolyte, auf ganz andere Weise organisiert sind, als traditionell angenommen wird. Dies könnte zu besseren Modellen der Atmosphärenchemie und anderen Anwendungen führen.

Die Forscher wollten untersuchen, wie Wassermoleküle durch die Ionenverteilung an der spezifischen Stelle beeinflusst werden, an der Luft und Wasser aufeinandertreffen. Traditionell erfolgt dies mithilfe einer Technik namens Vibrationy Frequency Sum Generation (VSFG). Mithilfe der Laserstrahlungstechnologie ist es möglich, molekulare Schwingungen an diesen wichtigen Grenzflächen direkt zu messen. Obwohl es möglich ist, die Stärke von Signalen zu messen, misst diese Technik jedoch nicht, ob die Signale positiv oder negativ sind, was die Interpretation der Ergebnisse in der Vergangenheit erschwerte. Darüber hinaus kann die alleinige Verwendung experimenteller Daten zu mehrdeutigen Ergebnissen führen.

Das Team meisterte diese Herausforderungen, indem es eine fortschrittlichere Form von VSFG namens Heterodyne-Detected (HD)-VSFG einsetzte, um verschiedene Elektrolytlösungen zu untersuchen. Anschließend entwickelten sie fortschrittliche Computermodelle, um die Fassaden in verschiedenen Szenarien zu simulieren.

Traditionelle Modelle revolutionieren

Die kombinierten Ergebnisse zeigten, dass sowohl positiv geladene Ionen, sogenannte Kationen, als auch negativ geladene Ionen, sogenannte Anionen, an der Wasser/Luft-Grenzfläche verarmt sind. Die Kationen und Anionen in einfachen Elektrolyten lenken Wassermoleküle nach oben und unten. Dies ist das Gegenteil von Lehrbuchmodellen, die lehren, dass Ionen eine elektrische Doppelschicht bilden und Wassermoleküle nur in eine Richtung lenken.

Co-Erstautor Dr. Yair Litman vom Yosef Hamid Department of Chemistry sagte: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Oberfläche einfacher Elektrolytlösungen eine andere Ionenverteilung aufweist als bisher angenommen und dass die mit Ionen angereicherte darunterliegende Oberfläche bestimmt, wie die Grenzfläche verläuft.“ ist organisiert. Oben befinden sich einige Schichten Wasser.“ Reines, dann eine ionenreiche Schicht und schließlich die Hauptsalzlösung.

Co-Erstautor Dr. Kuo Yangqiang vom Max-Planck-Institut sagte: „Dieses Papier zeigt, dass die Kombination aus HD-VSFG auf hohem Niveau und Simulationen ein unschätzbares Werkzeug ist, das zum Verständnis flüssiger Grenzflächen auf molekularer Ebene beitragen wird.“

Professor Mischa Poon, der die Abteilung für molekulare Spektroskopie am Max-Planck-Institut leitet, fügte hinzu: „Diese Art von Grenzflächen gibt es überall auf dem Planeten, daher hilft ihre Untersuchung nicht nur unserem grundlegenden Verständnis, sondern könnte auch zu besseren Geräten und Technologien führen.“ .“ Dieselben Methoden zur Untersuchung von Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen, die potenzielle Anwendungen in Batterien und Energiespeichern haben könnten.

Referenz: „Oberflächenschichtung bestimmt die wässrige Oberflächenstruktur einfacher Elektrolytlösungen“ 15. Januar 2024, Naturchemie.
doi: 10.1038/s41557-023-01416-6