Die Entdeckung von Wassermolekülen widerspricht Lehrbuchmodellen

Lehrbuchmodelle müssen neu erstellt werden, nachdem ein Forscherteam herausgefunden hat, dass Wassermoleküle an der Oberfläche von Salzwasser anders organisiert sind als bisher angenommen.

Viele wichtige Reaktionen im Zusammenhang mit Klima- und Umweltprozessen finden dort statt, wo Wassermoleküle mit Luft interagieren. Beispielsweise spielt die Verdunstung von Meerwasser eine wichtige Rolle in der Atmosphärenchemie und Klimawissenschaft. Das Verständnis dieser Reaktionen ist von entscheidender Bedeutung für die Bemühungen, die menschlichen Auswirkungen auf unseren Planeten zu mildern.

Die Verteilung von Ionen an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser kann atmosphärische Prozesse beeinflussen. Allerdings wird über ein genaues Verständnis der mikroskopischen Reaktionen an diesen wichtigen Grenzflächen bislang heftig diskutiert.

In einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel NaturchemieForscher der Universität Cambridge und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Deutschland zeigen, dass Ionen und Wassermoleküle an der Oberfläche der meisten Salzwasserlösungen, sogenannte Elektrolytlösungen, völlig anders organisiert sind als traditionell angenommen. Dies könnte zu besseren Modellen der Atmosphärenchemie und anderen Anwendungen führen.

Eine ausgefeiltere Technik

Die Forscher wollten untersuchen, wie Wassermoleküle durch die Ionenverteilung genau an der Stelle beeinflusst werden, an der Luft und Wasser aufeinander treffen. Traditionell wurde dies mit einer Technik namens Vibrational Sum Frequency Generation (VSFG) erreicht. Mit dieser Laserstrahlungstechnik ist es möglich, molekulare Schwingungen direkt an diesen wichtigen Grenzflächen zu messen.

Obwohl die Stärke der Signale gemessen werden kann, misst die Technik jedoch nicht, ob die Signale positiv oder negativ sind, was die Interpretation der Ergebnisse in der Vergangenheit erschwert hat. Darüber hinaus kann die alleinige Verwendung experimenteller Daten zu mehrdeutigen Ergebnissen führen.

Das Team bewältigte diese Herausforderungen, indem es eine ausgefeiltere Form von VSFG, das sogenannte Heterodyne-Detected (HD)-VSFG, zur Untersuchung verschiedener Elektrolytlösungen einsetzte. Anschließend entwickelten sie fortschrittliche Computermodelle, um die Schnittstellen in verschiedenen Szenarien zu simulieren.

Die kombinierten Ergebnisse zeigten, dass sowohl positiv geladene Ionen, sogenannte Kationen, als auch negativ geladene Ionen, sogenannte Anionen, an der Wasser/Luft-Grenzfläche verarmt sind. Die Kationen und Anionen einfacher Elektrolyte richten Wassermoleküle sowohl nach oben als auch nach unten aus. Dies ist eine Umkehrung von Lehrbuchmodellen, die lehren, dass Ionen eine elektrische Doppelschicht bilden und Wassermoleküle nur in eine Richtung ausrichten.

Co-Erstautor Dr. Yair Litman vom Yusuf Hamied Department of Chemistry sagte: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Oberfläche einfacher Elektrolytlösungen eine andere Ionenverteilung aufweist als bisher angenommen und dass der mit Ionen angereicherte Untergrund bestimmt, wie die Grenzfläche aussieht.“ organisiert: Ganz oben gibt es ein paar Schichten reines Wasser, dann eine ionenreiche Schicht und schließlich die Salzlösung.“

Co-Erstautor Dr. Kuo-Yang Chiang vom Max-Planck-Institut sagte: „Dieses Papier zeigt, dass die Kombination von HD-VSFG auf hohem Niveau mit Simulationen ein unschätzbares Werkzeug ist, das zum Verständnis von Flüssigkeitsgrenzflächen auf molekularer Ebene beitragen wird.“

Professor Mischa Bonn, der die Abteilung Molekulare Spektroskopie am Max-Planck-Institut leitet, fügte hinzu: „Diese Art von Grenzflächen kommen überall auf der Erde vor, daher hilft ihre Untersuchung nicht nur unserem grundlegenden Verständnis, sondern kann auch zu besseren Geräten und Technologien führen. Das tun wir.“ Anwendung derselben Methoden zur Untersuchung von Fest-Flüssigkeits-Grenzflächen, die potenzielle Anwendungen in Batterien und Energiespeichern haben könnten.“