Le reazioni chimiche e i processi fisici che coinvolgono le superfici d'acqua saranno più facili da modellare grazie alla scoperta da parte di un team composto da tutto RIKEN di come le molecole sulle superfici d'acqua perdono energia.

L'acqua è anomala in molti modi. Per esempio, ha punti di congelamento e di ebollizione molto più alti di quanto ci si aspetterebbe sulla base di un ingenuo confronto con altri idruri. La maggior parte di queste proprietà anomale derivano dalla forte attrazione elettrostatica che un atomo di idrogeno sente per un atomo di ossigeno in una molecola vicina. Questa forza attrattiva dà origine a legami idrogeno tra le molecole d'acqua vicine.

Questi legami idrogeno formano una rete 3D all'interno di un corpo idrico. Ma lo strato di molecole che si trova sulla superficie dell'acqua differisce dalle altre molecole in quanto forma legami idrogeno solo con le molecole che si trovano al di sotto di esso. Poiché questo strato è spesso solo una molecola, non si sa molto al riguardo.

Ora, Tahei Tahara del RIKEN Molecular Spectroscopy Laboratory ei suoi collaboratori hanno scoperto come queste molecole di superficie perdono energia.

"Le interfacce dell'acqua svolgono un ruolo chiave in molti processi chimici e fisici fondamentali, "dice Tahara. "Quindi capire come l'acqua interfacciale dissipa l'energia è cruciale per comprendere e controllare i fenomeni interfacciali a livello molecolare".

Le molecole di acqua di superficie hanno un gruppo ossidrile (OH) che sporge nell'aria, che è libero dalla rete di legami a idrogeno. Il team ha scoperto che le molecole di acqua superficiale dissipano energia principalmente ruotando questo legame OH sporgente (Fig. 1). Questo va contro la saggezza convenzionale, vale a dire che le molecole di superficie perdono energia solo interagendo con le molecole vicine.

"Questa scoperta va completamente contro la convinzione esistente che la dissipazione di energia dell'OH libero proceda con il trasferimento di energia, " nota Tahara.

Questa scoperta farà luce sulle dinamiche di più di semplici superfici d'acqua. "Riteniamo che la nostra scoperta fornisca una base per chiarire completamente i processi dinamici, comprese le reazioni chimiche che procedono all'interfaccia con l'acqua, "dice Tahara.

Per fare la loro scoperta, il team ha utilizzato una tecnica spettroscopica che individua le molecole di superficie e sonda come cambiano nel tempo. È stata una misurazione impegnativa da fare. "Questo è stato un esperimento difficile e delicato da eseguire, " dice Tahara. "Dovevamo rilevare i cambiamenti a femtosecondi nel debole segnale generato da un solo strato d'acqua all'interfaccia aria-acqua mentre controllavamo la fase degli impulsi laser a femtosecondi".

Il team intende poi studiare come i gruppi OH legati all'idrogeno dell'acqua di interfaccia trasferiscano energia. "Questo ci darà una visione coerente e coerente dei processi di trasferimento di energia alle interfacce idriche, "dice Tahara.