Air adalah cecair yang sangat rumit

Air adalah cecair yang sangat rumit. Cara di mana molekul air berasingan terkumpul pada pelbagai bahan mempunyai kesan penting pada banyak proses, termasuk kakisan dan luluhawa, dan merupakan kunci dalam memastikan pemangkin berfungsi secara optimum. Pasukan yang berpangkalan di TU Wien kini telah berjaya mengesan misteri di sebalik struktur molekul air pada permukaan oksida besi, dan kerja mereka telah mendedahkan bahawa molekul air boleh membentuk struktur kompleks yang mengingatkan jambatan, yang memainkan peranan penting ketika datang ke tindak balas kimia di permukaan.

Ciri khas air

"Apa yang menjadikan molekul air unik adalah mereka boleh membentuk ikatan hidrogen jambatan," jelas Prof. Gareth Parkinson dari Institut Fizik Gunaan di TU Wien. "Pengagihan caj elektrik tidak walaupun atom oksigen sedikit dikenakan, sementara atom hidrogen sedikit dikenakan secara positif." Akibatnya, ikatan boleh membentuk antara molekul air - ikatan hidrogen jambatan yang terkenal - atau bahkan di antara molekul air dan jenis molekul lain.

Kesan ini bervariasi. Sebagai contoh, bon jambatan hidrogen adalah sebab air perlu mencapai suhu tinggi 100 ° C sebelum ia mendidih. Mereka juga merupakan faktor utama dalam struktur protein.

Ikatan-ikatan ini bahkan memainkan masa dan masa untuk sekali lagi untuk menyatakan sepenuhnya tuntutan tidak saintifik, kerana orang mendakwa mereka membenarkan 'maklumat' yang misteri itu disimpan di dalam air. Ini adalah mustahil secara fizikal kerana bon jambatan hidrogen tidak terlalu kuat sama sekali dan dipecahkan lagi dalam kedua pecahan dalam air cair. Walau bagaimanapun, anda dapat melihat keputusan yang sangat berbeza apabila molekul air terkumpul di permukaan, di mana struktur yang sangat kompleks dan stabil terbentuk pada suhu rendah.

Alam kemungkinan

"Telah ada tanda-tanda tidak langsung mengenai struktur struktur ini," kata Ulrike Diebold (TU Wien). "Tetapi untuk memastikan struktur air yang dapat dilihat pada permukaan oksida besi, kita harus mengoptimumkan teknik pengukuran yang paling baik dan lebih baik dan dapat mendorong batas-batas apa yang mungkin."

Untuk memulakan, jet molekul air diletupkan ke permukaan dalam vakum pada suhu rendah. Permukaan kemudiannya dipanaskan sehingga suhu sekitar -30 ° C, menyebabkan struktur air secara beransur-ansur dipecahkan. Molekul air melepaskan dari permukaan satu demi satu dan dikumpulkan oleh pengesan. "Kita boleh mengukur dengan tepat berapa banyak molekul air yang meninggalkan permukaan pada suhu tertentu, kemudian kita dapat mengambil maklumat ini untuk mengolah tenaga ikatan, yang seterusnya membolehkan kita mengenali jenis struktur molekul yang kita hadapi," terang Gareth Parkinson.

Pada masa yang sama, mikroskop berprestasi tinggi, getaran khas, digunakan untuk menghasilkan imej resolusi tinggi permukaan, supaya struktur air sebenarnya dapat dilihat. Di samping itu, simulasi komputer yang canggih telah dibangunkan sebagai cara untuk menerangkan kedudukan geometri molekul air di peringkat kuantum. "Akhir sekali, kami mempunyai tiga alat yang boleh digunakan untuk mengkaji struktur air, dan itulah yang diperlukan jika anda ingin mendapatkan hasil yang boleh dipercayai," kata Gareth Parkinson. "Ketiga-tiga analisis itu hampir sempurna, meninggalkan kami untuk menyimpulkan dengan penuh keyakinan bahawa kita sekarang memahami pembentukan struktur air pada permukaan besi oksida."

Bukti menunjukkan bahawa beberapa struktur dibentuk: jarang sekali bahawa satu molekul air hanya duduk di permukaan sahaja, dengan molekul air sebaliknya cenderung untuk berkumpul berpasangan atau kumpulan tiga. Kemudian anda mempunyai struktur yang lebih kompleks yang terdiri daripada enam atau lapan molekul, yang merangkumi permukaan oksida besi seperti jambatan elips melengkung.

"Objektif utama kami adalah untuk membangunkan kaedah analisis sehingga kita dapat memperoleh bukti struktur molekul yang tidak dapat disangkal. Dan itulah yang kami lakukan," kata Ulrike Diebold. "Kaedah yang digunakan di sini untuk besi oksida juga boleh digunakan untuk bahan lain."