Трудности перехода: открыто необычное поведение молекул на границе воды и воздуха

Листайте вправо, чтобы увидеть больше изображений

Немецкие исследователи из Института Фрица Хабера и Свободного университета Берлина обнаружили, что граница между водой и воздухом устроена гораздо сложнее, чем считалось ранее. Вместо простой модели, где молекулы воды ориентированы «вверх или вниз», ученые выявили сложную систему из четырех слоев с разной ориентацией. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Ключевым параметром оказалось так называемое «скручивание» (twisting) молекул воды — характеристика, которую ранее практически не учитывали. Именно она, как показало исследование, играет фундаментальную роль в формировании структуры на границе жидкости и газа.

Слева: вода на границе раздела фаз. Справа: Схема ориентации воды на границе раздела с воздухом, а также зависимости сигнала от глубины. Фото: FHI

Тонкий слой, от которого зависит все

Граница вода–воздух — это сверхтонкая зона, но именно она определяет множество процессов: от химии атмосферы до работы клеток в живых организмах. Исследование показало, что в этой области молекулы образуют упорядоченную структуру из четырех слоев, где их наклон и вращение чередуются. Это опровергает упрощенные модели и помогает точнее описывать процессы, происходящие, например, на поверхности океана.

Понимание структуры водной поверхности важно для:

• Локальных и глобальных климатических моделей (испарение, теплообмен, образование облаков и циклонов);
• Изучения химических реакций в нижних слоях атмосфере;
• Моделирование физико-химических процессов на границах двух сред в промышленности, быту, прикладной науке;
• Понимания биологических процессов на клеточном уровне.

Именно на поверхности океанов происходят реакции, влияющие на состав атмосферы и на образование аэрозолей, которые отражают солнечный свет и влияют на интенсивность инсоляции и прогрев поверхности Земли.

Спектры изгиба второго порядка на границе воздух-вода

Ранее считалось, что вода у поверхности ведет себя почти так же, как в объеме. Однако современные методы (включая спектроскопию и моделирование) показывают, что поверхность — это отдельная «фаза», особый сверхтонкий мир со своей физикой.

Что дальше

Открытие может привести к пересмотру теорий межфазных процессов и улучшению моделей климата. Кроме того, оно важно для разработки новых технологий — например, в области очистки воды и химического синтеза на границах фаз.

Анализ ориентации молекул в поверхностном слое воды

Об уникальной и крайне непродолжительной гексатической фазе, возникающей на поверхности во время плавления твердых тел, читайте в недавней публикации Hi-Тeсh Mail.