Группа исследователей обнаружила, что молекулы на поверхности соленой воды устроены совершенно иначе
Долгие годы ученые думали, что хорошо понимают, что происходит, когда молекула воды встречается с воздухом. Ну, знаете, то, о чем мы читаем в учебниках? Оказывается, мы ошибались.
Группа исследователей обнаружила, что молекулы на поверхности соленой воды устроены совершенно иначе, чем мы думали раньше.
Доктор Яир Литман с химического факультета имени Юсуфа Хамида возглавил группу, и это откровение всколыхнуло некоторые давно устоявшиеся представления в области климатологии.
Может показаться, что это просто очередной научный эксперимент, но он имеет реальные последствия, особенно когда речь идет о понимании того, как работает наша атмосфера и как смягчить воздействие человека на планету.
Химия на поверхности молекул воды
Когда мы думаем о том, где происходят важные химические реакции, мы, возможно, не сразу представляем себе поверхность океана или стакан с соленой водой. Но именно там происходят важнейшие взаимодействия, особенно когда вода встречается с воздухом.
Подумайте: испарение океанской воды влияет на наш климат, определяет погодные условия и даже влияет на химический состав воздуха, которым мы дышим. Это очень важно.
В течение многих лет научное сообщество пыталось понять, что именно происходит на поверхности, в частности, как ведут себя ионы - крошечные заряженные частицы соли, - когда они находятся у кромки воды.
Аккуратно ли они выстраиваются в ряд? Хорошо ли они играют с молекулами воды? До сих пор об этом можно было только догадываться. Точное поведение ионов на границе раздела вода-воздух вызывало жаркие споры.
Именно здесь команда Литмана и доктора Куо-Ян Чианга из Института Макса Планка пришла на помощь. Их исследование, опубликованное в журнале Nature Chemistry, меняет ситуацию.
Сочетая передовые технологии с продвинутым моделированием, они показали, что молекулы воды на поверхности соленой воды ведут себя не так, как мы всегда думали. И да, это большая новость.
Взгляд на поверхность молекул воды
Традиционный взгляд, который можно найти в большинстве учебников, был прост: ионы, заряженные либо положительно, либо отрицательно, выстраиваются на поверхности и организуют молекулы воды в одном направлении. Но согласно новому исследованию, все обстоит совсем не так.
Команда исследователей использовала более совершенную форму техники, называемой генерацией колебательной суммы частот (VSFG). В прошлом VSFG позволяла ученым наблюдать за молекулярными колебаниями на поверхности воды.
Но у него был недостаток - он не мог определить, являются ли эти колебания положительными или отрицательными, что затрудняло интерпретацию того, что происходит на самом деле. Это все равно что пытаться понять суть разговора, слыша только его половину.
Пробуем другую технику
Вот тут-то и пригодился метод гетеродинной детекции (HD)-VSFG. Эта техника позволяет не только измерять вибрации, но и определять их направление.
Результат? Они обнаружили, что ионы на поверхности соленой воды не просто образуют один слой и организуют молекулы воды в одном направлении.
Вместо этого ионы организуют молекулы воды как вверх, так и вниз, переворачивая модель из учебника с ног на голову.
«Наша работа показывает, что поверхность простых растворов электролитов имеет иное распределение ионов, чем считалось ранее», - объясняет Литман.
«На самом верху есть несколько слоев чистой воды, за ними следует богатый ионами слой, а затем основной солевой раствор».
Это означает, что вместо того, чтобы ионы аккуратно выстраивались в ряд и ориентировали молекулы воды в одном направлении, они создают гораздо более сложную и динамичную среду.
Это все равно что обнаружить, что ваш когда-то тихий район на самом деле кипит активной жизнью за закрытыми дверями.
Почему это важно?
Если вы думаете: «Хорошо, но почему меня должно волновать, как ионы ведут себя на поверхности воды?» Ответ кроется в том, как это открытие влияет на науку об атмосфере.
На поверхности воды - особенно океанской - происходит множество важных реакций. Испарение, образование облаков и даже распад загрязняющих веществ в атмосфере - все это зависит от взаимодействия воды и воздуха.
Когда мы не до конца понимаем, как ведут себя ионы на поверхности воды, мы не можем создать точные модели для климатологии. А в мире, где понимание климата имеет решающее значение, наличие точной модели - это все.
Доктор Куо-Ян Чианг из Института Макса Планка добавляет, что это исследование не только углубляет наше понимание жидких границ раздела, но и может быть применено в других областях.
«Эта работа показывает, что сочетание высокоуровневого HD-VSFG с моделированием является бесценным инструментом, который будет способствовать пониманию жидких интерфейсов на молекулярном уровне».
Другими словами, это важное открытие может помочь ученым разработать более совершенные технологии для таких вещей, как батареи и накопители энергии.
И кто знает, может быть, это даже поможет нам лучше понять, как справиться с некоторыми экологическими проблемами, с которыми мы сталкиваемся сегодня.
Техника имеет далеко идущие применения
Последствия этого исследования не ограничиваются наукой об атмосфере. Миша Бонн, руководитель отдела молекулярной спектроскопии в Институте Макса Планка, считает, что это открытие может проложить путь к более глубокому пониманию других интерфейсов, например тех, что встречаются в батареях.
«Подобные интерфейсы встречаются повсюду на планете, поэтому их изучение не только поможет нам в фундаментальном понимании, но и может привести к созданию более совершенных устройств и технологий, - объясняет Бонн.
Если мы сможем лучше понять, как молекулы ведут себя на поверхности соленой воды, это может улучшить наше понимание того, как они ведут себя на поверхности твердого материала. Это очень важно для тех, кто работает над усовершенствованием батарей или других накопителей энергии.
Это одно из тех открытий, влияние которых может быть не сразу очевидным, но в перспективе оно может изменить все - от того, как мы создаем устройства, до того, как мы думаем о науке о климате.
Применение этого открытия молекулы воды
Если подвести итог, то выводы, сделанные командой доктора Литмана, - это только начало. Их открытие бросает вызов десятилетиями сложившимся представлениям о воде и ионах и открывает дверь в совершенно новую область исследований.
Следующие шаги? Применение этих методов к еще более сложным системам, таким как взаимодействие между водой и твердыми телами, что может помочь нам понять все - от загрязнения окружающей среды до получения чистой энергии.
Нечасто случается, что научное открытие полностью переписывает то, что мы думали, что знаем. Но когда это происходит, это напоминает о том, что наука всегда развивается.
Полная версия исследования опубликована в журнале Nature Chemistry.
