I modelli dei libri di testo dovranno essere ridisegnati dopo che un team di ricercatori ha scoperto che le molecole d'acqua sulla superficie dell'acqua salata sono organizzate in modo diverso da quanto si pensasse in precedenza.
Molte reazioni importanti legate al clima e ai processi ambientali hanno luogo dove le molecole d’acqua si interfacciano con l’aria. Ad esempio, l’evaporazione dell’acqua oceanica svolge un ruolo importante nella chimica dell’atmosfera e nella scienza del clima. Comprendere queste reazioni è fondamentale per mitigare gli effetti dell'attività umana sul nostro pianeta.
La distribuzione degli ioni all'interfaccia tra aria e acqua può influenzare i processi atmosferici. Tuttavia, la comprensione precisa delle reazioni microscopiche a queste importanti interfacce è stata finora intensamente dibattuta.
In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Chemistry , ricercatori dell'Università di Cambridge e dell'Istituto Max Planck per la ricerca sui polimeri in Germania mostrano che gli ioni e le molecole d'acqua sulla superficie della maggior parte delle soluzioni di acqua salata, note come soluzioni elettrolitiche, sono organizzati in un modo completamente diverso da quanto tradizionalmente inteso. Ciò potrebbe portare a migliori modelli di chimica atmosferica e ad altre applicazioni.
I ricercatori si sono proposti di studiare in che modo le molecole d'acqua vengono influenzate dalla distribuzione degli ioni nel punto esatto in cui l'aria e l'acqua si incontrano. Tradizionalmente, questo è stato fatto con una tecnica chiamata generazione di frequenza somma vibrazionale (VSFG). Con questa tecnica di radiazione laser è possibile misurare le vibrazioni molecolari direttamente su queste interfacce chiave.
Tuttavia, sebbene sia possibile misurare la forza dei segnali, la tecnica non misura se i segnali siano positivi o negativi, il che ha reso difficile l’interpretazione dei risultati in passato. Inoltre, l'utilizzo dei soli dati sperimentali può fornire risultati ambigui.
Il team ha superato queste sfide utilizzando una forma più sofisticata di VSFG, chiamata VSFG con rilevamento eterodina (HD), per studiare diverse soluzioni elettrolitiche. Hanno poi sviluppato modelli informatici avanzati per simulare le interfacce in diversi scenari.
I risultati combinati hanno mostrato che sia gli ioni caricati positivamente, chiamati cationi, sia gli ioni caricati negativamente, chiamati anioni, vengono esauriti dall’interfaccia acqua/aria. I cationi e gli anioni degli elettroliti semplici orientano le molecole d'acqua sia verso l'alto che verso il basso. Si tratta di un'inversione dei modelli dei libri di testo, che insegnano che gli ioni formano un doppio strato elettrico e orientano le molecole d'acqua in una sola direzione.
Il co-primo autore Dr. Yair Litman, del Dipartimento di Chimica Yusuf Hamied, ha dichiarato:"Il nostro lavoro dimostra che la superficie di semplici soluzioni elettrolitiche ha una distribuzione ionica diversa da quanto si pensava in precedenza e che il sottosuolo arricchito di ioni determina il modo in cui l'interfaccia è organizzato:in cima ci sono alcuni strati di acqua pura, poi uno strato ricco di ioni, infine la soluzione salina sfusa."
Il co-primo autore Dr. Kuo-Yang Chiang del Max Planck Institute ha affermato:"Questo articolo dimostra che la combinazione di HD-VSFG di alto livello con simulazioni è uno strumento inestimabile che contribuirà alla comprensione a livello molecolare delle interfacce liquide". /P>
Il professor Mischa Bonn, che dirige il dipartimento di spettroscopia molecolare dell’Istituto Max Planck, ha aggiunto:“Questi tipi di interfacce si trovano ovunque sul pianeta, quindi studiarle non solo aiuta la nostra comprensione fondamentale, ma può anche portare a dispositivi e tecnologie migliori. applicando questi stessi metodi per studiare le interfacce solido/liquido, che potrebbero avere potenziali applicazioni nelle batterie e nello stoccaggio di energia."
Ulteriori informazioni: Kuo-Yang Chiang et al, La stratificazione superficiale determina la struttura interfacciale dell'acqua di semplici soluzioni elettrolitiche, Chimica naturale (2024). DOI:10.1038/s41557-023-01416-6. www.nature.com/articles/s41557-023-01416-6
Informazioni sul giornale: Chimica della Natura
Fornito dall'Università di Cambridge
