Vědci odhalili skrytý řád vody na rozhraní se vzduchem: Klíčem je dosud opomíjený „twist“ molekul

Tým vědců z Institutu Fritze Habera a Svobodné univerzity v Berlíně poodhalil tajemství uspořádání molekul vody na rozhraní mezi kapalnou vodou a vzduchem.

Tým vědců z Institutu Fritze Habera a Svobodné univerzity v Berlíně poodhalil tajemství uspořádání molekul vody na rozhraní mezi kapalnou vodou a vzduchem. Jejich převratné zjištění, publikované v časopise Science Advances, ukazuje, že jeden dosud opomíjený parametr – takzvaný „twist“ vody – má zásadní význam pro pochopení chemie na těchto rozhraních.

Rozhraní vody hrají klíčovou roli v mnoha procesech, od fyziologie živých organismů přes povrch oceánů až po atmosféru. Chování těchto systémů je primárně ovlivněno neuvěřitelně tenkou vrstvou vody přímo na hranici. Samotná přítomnost rozhraní mění molekulární strukturu vody, vytváří preferované orientace a pozměněnou síť vodíkových vazeb, což vede k zásadně odlišným vlastnostem vody v této oblasti. Charakterizace těchto jedinečných struktur je však mimořádně obtížná, protože se jedná o vrstvu tenkou pouhých osm angstromů, tedy asi čtyři molekulární vrstvy.

Výzkumný tým překonal tuto výzvu díky nově vyvinuté hloubkově rozlišené vibrační spektroskopii. Tato metoda využívá kombinaci infračervených a viditelných laserů k ozáření vodní hladiny a excitaci nelineárních vibrací v molekulách vody. Proces generuje dva nové laserové paprsky na různých viditelných frekvencích, konkrétně signály součtové a rozdílové frekvence. Využitím malých rozdílů ve fázi a amplitudě těchto signálů se týmu podařilo získat přesné hloubkové informace a izolovat vibrační odezvu z oblasti rozhraní vody. Výsledná spektra byla následně zkombinována s pokročilými počítačovými simulacemi, což umožnilo získat jasný obraz orientace molekul vody v rozhraní.

Díky tomuto kombinovanému přístupu vědci zjistili, že molekuly vody v prvních čtyřech vrstvách mají velmi dobře definovanou orientační strukturu s vrstvu po vrstvě se střídajícími úhly náklonu a „twistu“ molekul. Zatímco úhel náklonu je definován jako úhel mezi dipólem vody a normálou k povrchu, molekulární „twist“ úhel popisuje rotaci kolem osy dipólu. Na základě těchto zjištění tým ukázal, že běžná strukturní analýza rozhraní vody, která se omezuje na to, zda molekuly směřují „nahoru nebo dolů“, je nedostatečná. Zdůraznili význam dříve ignorovaného hloubkově závislého rozložení molekulárního „twistu“ na rozhraní se vzduchem. Tento objev vede k revidovanému strukturnímu obrazu rozhraní vody a má důležité důsledky pro naše chápání procesů na vodných rozhraních.