A análise estrutural comum da água interfacial é inadequada, de acordo com um novo estudo
Moléculas de água na interface ar-água caracterizadas camada a camada pela primeira vez
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Investigadores do Departamento de Físico-Química do Instituto Fritz Haber e da Freie Universität Berlin revelaram a disposição das moléculas de água na interface entre a água líquida e o ar. As suas descobertas ajudam a compreender melhor a química interfacial, que é largamente determinada pela disposição específica das moléculas de água. O estudo mostra que um parâmetro em particular - um que tem sido negligenciado até agora - é de importância fundamental: a torção da água.
Porquê estudar a interface ar-água?
A água é, sem dúvida, a molécula mais importante da Terra. As interfaces da água desempenham um papel crítico em numerosos processos na fisiologia, na superfície do oceano e na atmosfera. Nestes processos, é principalmente a região incrivelmente fina de água diretamente na fronteira que governa o seu comportamento. Crucialmente, a simples presença da interface perturba a estrutura molecular da água, gerando orientações preferenciais e uma rede alterada de ligações de hidrogénio, que dão origem a propriedades profundamente diferentes da água nessa região. Embora estas estruturas únicas estejam no centro de muitos fenómenos interfaciais, a sua caraterização é monumentalmente difícil.
O desafio: Obter pormenores estruturais da região extremamente fina da água interfacial
A região da água interfacial é incrivelmente fina (~8 Angstroms), envolvendo apenas cerca de quatro camadas de moléculas de água. Abaixo desta região interfacial, a água adopta as suas propriedades de massa. Para elucidar pormenores sobre a estrutura molecular da água na região interfacial, os investigadores precisam de sondar apenas estas primeiras quatro camadas de água e obter informações sobre as orientações moleculares em cada uma delas. No entanto, a realização de tais experiências não tem sido viável até agora, o que faz com que a estrutura molecular exacta da água interfacial permaneça desconhecida, apesar de décadas de investigação intensiva.
Espectroscopia vibracional resolvida em profundidade em combinação com simulações
A equipa de investigação do Instituto Fritz Haber ultrapassou este desafio através da sua espetroscopia vibracional resolvida em profundidade recentemente desenvolvida, que utiliza uma combinação de lasers infravermelhos e visíveis para irradiar a superfície da água e excitar vibrações não lineares nas moléculas de água. Este processo gera dois novos feixes de laser em diferentes frequências visíveis, nomeadamente os sinais de soma e diferença de frequência. Explorando pequenas diferenças na fase e amplitude destes sinais, a equipa conseguiu extrair informações precisas sobre a profundidade e isolar a resposta vibracional da região interfacial da água. Os espectros resultantes foram depois combinados com simulações computacionais de alto nível realizadas pela equipa da FU Berlin para obter uma imagem clara das orientações das moléculas de água na região interfacial.
Graças a esta abordagem combinada e à sua nova técnica experimental, os investigadores revelaram que as moléculas de água nas primeiras quatro camadas possuem uma estrutura orientacional muito bem definida, com ângulos de inclinação e de torção moleculares alternados de camada para camada. Enquanto o ângulo de inclinação é definido como o ângulo entre o dipolo da água e a normal da superfície, o ângulo de torção molecular descreve uma rotação em torno do eixo do dipolo. Com base nestas descobertas, a equipa de investigação conseguiu mostrar que a análise estrutural comum da água interfacial em termos de moléculas que apontam "para cima ou para baixo" é largamente insuficiente, sublinhando a importância da distribuição de torção molecular dependente da profundidade, anteriormente ignorada, na interface com o ar. Isto conduz a uma imagem estrutural revista da água interfacial com implicações importantes na nossa compreensão dos processos em interfaces aquosas.
Cooperação entre o FHI e a FU Berlim
Este estudo é um testemunho de uma colaboração muito frutuosa entre diferentes instituições científicas em Berlim (FHI e FU Berlin), reunindo conhecimentos em teoria e experimentação para abordar questões de investigação de longa data. Os autores prevêem alargar os seus estudos a uma gama mais vasta de interfaces aquosas, incluindo as de dispositivos electroquímicos como as baterias.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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