Veden rajapinnassa on kierre

Fritz Haber -instituutin fysikaalisen kemian laitoksen ja Berliinin Freie-yliopiston tutkijat ovat paljastaneet vesimolekyylien järjestyksen nestemäisen veden ja ilman rajapinnalla.

Heidän löydöksensä auttavat ymmärtämään paremmin rajapintakemiaa, joka määräytyy suurelta osin vesimolekyylien erityisen järjestyksen perusteella.

Tutkimus osoittaa, että erityisesti yksi parametri – jota on tähän asti laiminlyöty – on perustavanlaatuisen tärkeä: veden kierre.

Vesi on luultavasti tärkein molekyyli maapallolla. Veden rajapinnoilla on ratkaiseva rooli lukuisissa fysiologisissa prosesseissa, meren pinnalla ja ilmakehässä. Näissä prosesseissa niiden käyttäytymistä ohjaa ensisijaisesti veden uskomattoman ohut alue suoraan rajalla.

Ratkaisevasti pelkkä rajapinnan läsnäolo häiritsee veden molekyylirakennetta, synnyttäen suosivia orientaatioita ja muuttuneen vetysidosverkoston, jotka johtavat veden perusteellisesti erilaisiin ominaisuuksiin kyseisellä alueella.

Rajapintavesialue on uskomattoman ohut (~8 Å) ja käsittää vain noin neljä vesimolekyylikerrosta. Tämän rajapinta-alueen alapuolella vesi omaksuu bulkkiominaisuutensa.

Selvittääkseen yksityiskohtia molekyyliveden rakenteesta rajapinta-alueella tutkijoiden on tutkittava vain näitä neljää ensimmäistä vesikerrosta ja saatava tietoa molekyylien orientaatioista kussakin niistä.

Tällaisten kokeiden suorittaminen ei kuitenkaan ole toistaiseksi ollut mahdollista, minkä seurauksena rajapintaveden tarkka molekyylirakenne on pysynyt tuntemattomana vuosikymmenten intensiivisestä tutkimuksesta huolimatta.

Fritz Haber -instituutin tutkimusryhmä voitti tämän haasteen äskettäin kehittämällään syvyyserotteisella värähtelyspektroskopialla, joka käyttää infrapuna- ja näkyvien lasereiden yhdistelmää säteilyttämään veden pintaa ja herättämään epälineaarisia värähtelyjä vesimolekyyleissä.

Tämän yhdistetyn lähestymistavan ja uuden kokeellisen tekniikan ansiosta tutkijat paljastivat, että neljän ensimmäisen kerroksen vesimolekyyleillä on erittäin hyvin määritelty orientaatiorakenne, jossa kerros kerrokselta vuorottelevat molekyylien kallistus- ja kiertymiskulmat. Tutkijat pystyivätkin osoittamaan aiemmin huomiotta jätetyn syvyysriippuvaisen molekyylien kiertymäjakauman merkityksen ilman rajapinnassa.

Tämä johtaa rajapinnan veden tarkistettuun rakennekuvaan, jolla on tärkeitä vaikutuksia ymmärrykseemme vesipitoisten rajapintojen prosesseista.

Kirjoittajat aikovat laajentaa tutkimuksiaan laajempaan valikoimaan vesipitoisia rajapintoja, mukaan lukien sähkökemiallisissa laitteissa, kuten akuissa, olevat pinnat.

Aiheesta aiemmin:

Uusi kriittisen pisteen löytö vedestä

Jää on vikasietoista