По мере усложнения аналитических методов существующие научные модели постоянно пересматриваются. Последним объектом пристального внимания является то, как молекулы организованы на поверхности соленой воды.

Около 70% поверхности Земли покрыто океанской водой. Испарение и образование гетерогенных аэрозолей таких богатых электролитами растворов играют важную роль в химии атмосферы и науке о климате. Физико-химические процессы, происходящие на поверхности растворов электролитов, в конечном итоге определяются молекулярной структурой таких растворов на границе раздела воздух/жидкость.

Таким образом, знания о распределении ионов и ориентации молекул на границе раздела воздух/раствор имеют первостепенное значение для разработки моделей окружающей среды, а также служат отправной точкой для понимания более сложных границ раздела жидких растворов в контакте с электродами, мембранами или минералами.

Исследователи из Кембриджского университета в Великобритании и Института исследований полимеров Макса Планка в Германии обнаружили, что электрически заряженные частицы, или ионы, не активны на самой поверхности раствора, как считалось ранее – вместо этого они расположены в подповерхностном слое.

«Наша работа демонстрирует, что поверхность простых растворов электролитов имеет иное распределение ионов, чем считалось ранее, и что обогащенная ионами подповерхность определяет, как организована граница раздела», — говорит химик-теоретик Яир Литман из Кембриджского университета.

Чтобы сделать свое открытие, команда использовала модернизированную версию метода лазерного излучения, называемого генерацией суммарной частоты колебаний (VSFG), который измеряет молекулярные вибрации в мельчайших масштабах с впечатляющей точностью.

В существующих моделях все катионы или все анионы направлены «вверх» к поверхности, образуя верхний слой так называемого двойного электрического слоя, как видно на изображениях внизу и вверху. (Nature Chemistry, 2024)

Вместе с моделями, основанными на нейронных сетях, этот улучшенный метод позволил исследователям увидеть, являются ли ионы на поверхности положительно заряженными (катионы) или отрицательно заряженными (анионы).

Помимо обнаружения подповерхностного слоя ионов, новое исследование также показывает, что эти ионы могут быть ориентированы как вверх, так и вниз (имея в виду фактическое физическое расположение молекул), а не только в одном направлении.

«На самом верху находится несколько слоев чистой воды, затем слой, богатый ионами, и, наконец, основной раствор соли», — говорит Яир Литман.

Проще говоря, эксперимент показывает, что происходит на границах большинства простых растворов жидких электролитов. Молекулярное расположение определяет, как они будут реагировать с тем, что их окружает.

Тщательное понимание этих слоев и их расположения может стать основой для создания всевозможных других моделей – таких, например, как те, которые у нас есть для поверхности океана, которые жизненно важны для прогнозирования последствий изменения климата.

Исследователи предполагают, что их работа не только улучшает понимание окружающего нас мира, но и может помочь в разработке любых технологий, в которых необходимо объединять твердые и жидкие вещества, включая батареи.

«Такие типы границ разделов встречаются повсюду на планете, поэтому их изучение не только помогает нашему фундаментальному пониманию, но также может привести к созданию более совершенных устройств и технологий», — говорит молекулярный физик Миша Бонн из Института исследования полимеров Макса Планка.

«Мы применяем те же методы для изучения границ раздела твердого тела и жидкости, которые могут иметь потенциальное применение в батареях и накопителях энергии».

Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry.