La découverte d’une molécule d’eau contredit les modèles des manuels scolaires

De nombreuses réactions importantes liées aux processus climatiques et environnementaux se produisent là où les molécules d’eau interagissent avec l’air. Par exemple, l’évaporation de l’eau des océans joue un rôle important dans la chimie atmosphérique et la science du climat. Comprendre ces réactions est crucial pour les efforts visant à atténuer l’impact humain sur notre planète.

La distribution des ions à l’interface de l’air et de l’eau peut affecter les processus atmosphériques. Cependant, la compréhension précise des réactions microscopiques à ces interfaces importantes a jusqu’à présent été intensément débattue.

Dans un article publié aujourd’hui dans la revue Chimie naturelle, des chercheurs de l’Université de Cambridge et de l’Institut Max Planck de recherche sur les polymères en Allemagne montrent que les ions et les molécules d’eau à la surface de la plupart des solutions d’eau salée, appelées solutions électrolytiques, sont organisés d’une manière complètement différente de celle traditionnellement comprise. Cela pourrait conduire à de meilleurs modèles de chimie atmosphérique et à d’autres applications.

Technique

Les chercheurs ont entrepris d’étudier comment les molécules d’eau sont affectées par la distribution des ions au point exact de rencontre de l’air et de l’eau. Traditionnellement, cela se faisait à l’aide d’une technique appelée génération vibrationnelle somme-fréquence (VSFG). Grâce à cette technique de rayonnement laser, il est possible de mesurer les vibrations moléculaires directement au niveau de ces interfaces clés. Cependant, bien que la force des signaux puisse être mesurée, la technique ne mesure pas si les signaux sont positifs ou négatifs, ce qui a rendu difficile l’interprétation des résultats dans le passé. De plus, l’utilisation seule de données expérimentales peut donner des résultats ambigus.

L’équipe a surmonté ces défis en utilisant une forme plus sophistiquée de VSFG, appelée hétérodyne détectée (HD)-VSFG, pour étudier différentes solutions électrolytiques. Ils ont ensuite développé des modèles informatiques avancés pour simuler les interfaces dans différents scénarios.

Les résultats combinés ont montré que les ions chargés positivement, appelés cations, et les ions chargés négativement, appelés anions, sont épuisés à l’interface eau/air. Les cations et les anions des électrolytes simples orientent les molécules d’eau vers le haut et vers le bas. Il s’agit d’un renversement des modèles classiques, qui enseignent que les ions forment une double couche électrique et orientent les molécules d’eau dans une seule direction.

Le co-premier auteur, le Dr Yair Litman, du département de chimie Yusuf Hamied, a déclaré : « Nos travaux démontrent que la surface des solutions électrolytiques simples a une distribution d’ions différente de ce que l’on pensait auparavant et que le sous-sol enrichi en ions détermine la façon dont l’interface est organisée. : tout en haut se trouvent quelques couches d’eau pure, puis une couche riche en ions, puis enfin la solution saline en vrac.”

Le co-premier auteur, le Dr Kuo-Yang Chiang de l’Institut Max Planck, a déclaré : “Cet article montre que la combinaison du HD-VSFG de haut niveau avec des simulations est un outil inestimable qui contribuera à la compréhension des interfaces liquides au niveau moléculaire.”

Le professeur Mischa Bonn, qui dirige le département de spectroscopie moléculaire de l’Institut Max Planck, a ajouté : « Ces types d’interfaces se produisent partout sur la planète, donc les étudier aide non seulement notre compréhension fondamentale, mais peut également conduire à de meilleurs dispositifs et technologies. appliquer ces mêmes méthodes pour étudier les interfaces solide/liquide, qui pourraient avoir des applications potentielles dans les batteries et le stockage d’énergie.