Veden entropiarakenne määrittää, tarttuvatko ionit

Vesimolekyylit ovat jatkuvassa liikkeessä, mutta keskimäärin ne voivat muodostaa haluttuja järjestyksen muotoja. TU Wienin yliopisto on nyt osoittanut, että tällä on suuri vaikutus varautuneisiin hiukkasiin, esimerkiksi sähkökemiassa.

Vesimolekyylit eivät vain pyöri täydellisessä epäjärjestyksessä; ne voivat muodostaa tiettyjä mieluisia rakenteita ja tällä kyvyllä muodostaa lyhytikäisiä rakenteita voi olla merkittäviä seurauksia.

Tämä on nyt osoitettu TU Wienin tutkimuksessa yhteistyössä Wienin yliopiston ja Oslon yliopiston kanssa osana FWF:n rahoittamaa huippuosaamisryhmää "MECS".

Tiimi selvitti, kuinka helposti varattuja hiukkasia voidaan pitää pinnalla – kysymys, joka on tärkeä monilla aloilla, kuten akkujen, polttokennojen ja biologisten kalvojen tutkimuksessa. Uudet tulokset osoittavat, että tämä voidaan ymmärtää vain, jos otetaan huomioon veden nanosekunnin aikaskaalalla muodostamat rakenteet.

Näitä rakenteita ei kuitenkaan pidä kuvitella atomien järjestäytyneeksi järjestykseksi kiteessä. ”Tämä järjestys on luonteeltaan tilastollinen”, Markus Valtiner selittää. ”Vesimolekyylit värähtelevät jatkuvasti, liikkuvat hyvin nopeasti, jakavat itseään jatkuvasti uudelleen, muodostavat heikkoja sidoksia ja rikkovat niitä uudelleen.”

Tämä tarkoittaa, että vesimolekyylit eivät ole "informaation tallennusvälineitä", kuten joskus virheellisesti väitetään. Pikemminkin ne tekevät eräänlaista "tanssia" ionin ympärillä, ja tämä tanssi noudattaa tiettyjä sääntöjä. Veden tanssi litiumionin tai kalsiumionin ympärillä on tilastollisesti ottaen tietyssä mielessä järjestäytyneempää kuin veden tanssi cesiumionin ympärillä.

Kun ionit liikkuvat kohti pintaa, ne kantavat tätä tanssivaa vesikuorta mukanaan. Kun ioni sitten kiinnittyy pintaan, ympäröivä vesi joutuu rakentumaan eri tavalla kuin muuten tekisi.

”Ionit, joilla on voimakkaampi vaikutus ympäröiviin vesimolekyyleihin, luovat veteen enemmän järjestystä – termodynaamisen termin mukaan tämä tarkoittaa, että ne luovat alhaisemman entropian tilan”, Markus Valtiner selittää. ”Ja mitä alhaisempi entropia, sitä epätodennäköisempää on, että tällainen tila syntyy spontaanisti. Siksi tällaiset ionit kiinnittyvät vähemmän helposti suoraan pintaan.”

Tutkimusryhmä yhdisti korkean resoluution atomivoimamikroskopian, molekyylidynamiikan simulaatiot ja spektroskooppiset mittaukset näiden pintavaikutusten mittaamiseksi. Tämä johti termodynaamiseen malliin, joka voi nyt kuvata kvantitatiivisesti hiukkasten adsorptiota: ensimmäistä kertaa eri vaikutuksia tarkastellaan yhdessä – sähköstaattinen vetovoima toisaalta, mutta myös entropia, järjestäytymisen todennäköisyys ja vuorovaikutus ympäröivien vesimolekyylien kanssa.

Tämä mahdollistaa nyt sen, että voidaan ennustaa tarkemmin, mitkä ionit tarttuvat pintaan ja miten ne käyttäytyvät siellä, esimerkiksi akuissa, elektrodeissa, katalyyteissä tai biologisissa kalvoissa. Huomioon on otettava paitsi sähkövaraukset myös veden tilastollinen järjestys.

Aiheesta aiemmin:

Veden rajapinnassa on kierre

Uusi kriittisen pisteen löytö vedestä

Nestemäisen veden kahdet kasvot