L'analisi strutturale comune dell'acqua interfacciale è inadeguata, secondo un nuovo studio
Molecole d'acqua all'interfaccia aria-acqua caratterizzate per la prima volta strato per strato
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I ricercatori del Dipartimento di Chimica Fisica del Fritz Haber Institute e della Freie Universität di Berlino hanno rivelato la disposizione delle molecole d'acqua all'interfaccia tra acqua liquida e aria. Le loro scoperte aiutano a comprendere meglio la chimica interfacciale, che è in gran parte determinata dalla disposizione specifica delle molecole d'acqua. Lo studio dimostra che un parametro in particolare, finora trascurato, è di fondamentale importanza: la torsione dell'acqua.
Perché studiare l'interfaccia aria-acqua?
L'acqua è probabilmente la molecola più importante della Terra. Le interfacce dell'acqua svolgono un ruolo critico in numerosi processi fisiologici, sulla superficie degli oceani e nell'atmosfera. In questi processi, è soprattutto la regione incredibilmente sottile di acqua direttamente al confine che ne regola il comportamento. In particolare, la semplice presenza dell'interfaccia perturba la struttura molecolare dell'acqua, generando orientamenti preferenziali e una rete di legami idrogeno alterata, che danno origine a proprietà profondamente diverse dell'acqua in quella regione. Sebbene queste strutture uniche siano alla base di molti fenomeni interfacciali, la loro caratterizzazione è monumentalmente difficile.
La sfida: Ottenere dettagli strutturali dalla regione di acqua interfacciale estremamente sottile
La regione dell'acqua interfacciale è incredibilmente sottile (~8 angstrom) e coinvolge solo circa quattro strati di molecole d'acqua. Al di sotto di questa regione interfacciale l'acqua adotta le sue proprietà di massa. Per chiarire i dettagli della struttura molecolare dell'acqua nella regione interfacciale, i ricercatori devono sondare solo questi primi quattro strati d'acqua e recuperare informazioni sugli orientamenti molecolari in ciascuno di essi. Tuttavia, l'esecuzione di tali esperimenti non è stata finora possibile, con il risultato che l'esatta struttura molecolare dell'acqua interfacciale è rimasta sconosciuta nonostante decenni di intense ricerche.
Spettroscopia vibrazionale risolta in profondità in combinazione con le simulazioni
Il team di ricerca del Fritz Haber Institute ha superato questa sfida grazie alla spettroscopia vibrazionale risolta in profondità, sviluppata di recente, che utilizza una combinazione di laser infrarossi e visibili per irradiare la superficie dell'acqua ed eccitare vibrazioni non lineari nelle molecole d'acqua. Questo processo genera due nuovi fasci laser a diverse frequenze visibili, ovvero i segnali di frequenza somma e differenza. Sfruttando le piccole differenze di fase e ampiezza di questi segnali, il team è riuscito a estrarre informazioni precise sulla profondità e a isolare la risposta vibrazionale dalla regione dell'acqua interfacciale. Gli spettri ottenuti sono stati poi combinati con simulazioni computerizzate di alto livello eseguite dal team della FU di Berlino per ottenere un quadro chiaro degli orientamenti delle molecole d'acqua all'interno della regione interfacciale.
Grazie a questo approccio combinato e alla loro nuova tecnica sperimentale, i ricercatori hanno rivelato che le molecole d'acqua nei primi quattro strati possiedono una struttura orientativa molto ben definita, con angoli di inclinazione e torsione molecolare alternati da strato a strato. Mentre l'angolo di inclinazione è definito come l'angolo tra il dipolo dell'acqua e la normale alla superficie, l'angolo di torsione molecolare descrive una rotazione attorno all'asse del dipolo. Sulla base di questi risultati, il team di ricerca è stato in grado di dimostrare che la comune analisi strutturale dell'acqua interfacciale in termini di molecole che puntano "verso l'alto o verso il basso" è largamente insufficiente, sottolineando l'importanza della distribuzione della torsione molecolare, precedentemente ignorata in funzione della profondità, all'interfaccia con l'aria. Questo porta a un quadro strutturale rivisto dell'acqua interfacciale con importanti implicazioni per la comprensione dei processi alle interfacce acquose.
Cooperazione tra il FHI e la FU di Berlino
Questo studio è la testimonianza di una collaborazione molto proficua tra diverse istituzioni scientifiche di Berlino (FHI e FU Berlin), che riunisce competenze teoriche ed esperimenti per affrontare questioni di ricerca di lunga data. Gli autori prevedono di estendere i loro studi a una gamma più ampia di interfacce acquose, comprese quelle dei dispositivi elettrochimici come le batterie.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
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