С поверхностями границы термодинамических фаз мы сталкиваемся каждый день, наливая питьевую воду в стакан, купаясь в море или в бассейне, наблюдая мыльные пузыри. Но никто до сих пор не пр6едставлял истинную сложность таких поверхностей.
Немецкие исследователи из Института Фрица Хабера и Свободного университета Берлина обнаружили, что граница между водой и воздухом устроена гораздо сложнее, чем считалось ранее. Вместо простой модели, где молекулы воды ориентированы «вверх или вниз», ученые выявили сложную систему из четырех слоев с разной ориентацией. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
Ключевым параметром оказалось так называемое «скручивание» (twisting) молекул воды — характеристика, которую ранее практически не учитывали. Именно она, как показало исследование, играет фундаментальную роль в формировании структуры на границе жидкости и газа.
Слева: вода на границе раздела фаз. Справа: Схема ориентации воды на границе раздела с воздухом, а также зависимости сигнала от глубины. Фото: FHIТонкий слой, от которого зависит все
Граница вода–воздух — это сверхтонкая зона, но именно она определяет множество процессов: от химии атмосферы до работы клеток в живых организмах. Исследование показало, что в этой области молекулы образуют упорядоченную структуру из четырех слоев, где их наклон и вращение чередуются. Это опровергает упрощенные модели и помогает точнее описывать процессы, происходящие, например, на поверхности океана.
Понимание структуры водной поверхности важно для:
- Локальных и глобальных климатических моделей (испарение, теплообмен, образование облаков и циклонов);
- Изучения химических реакций в нижних слоях атмосфере;
- Моделирование физико-химических процессов на границах двух сред в промышленности, быту, прикладной науке;
- Понимания биологических процессов на клеточном уровне.
Именно на поверхности океанов происходят реакции, влияющие на состав атмосферы и на образование аэрозолей, которые отражают солнечный свет и влияют на интенсивность инсоляции и прогрев поверхности Земли.
Спектры изгиба второго порядка на границе воздух-водаРанее считалось, что вода у поверхности ведет себя почти так же, как в объеме. Однако современные методы (включая спектроскопию и моделирование) показывают, что поверхность — это отдельная «фаза», особый сверхтонкий мир со своей физикой.
Что дальше
Открытие может привести к пересмотру теорий межфазных процессов и улучшению моделей климата. Кроме того, оно важно для разработки новых технологий — например, в области очистки воды и химического синтеза на границах фаз.
Анализ ориентации молекул в поверхностном слое водыОб уникальной и крайне непродолжительной гексатической фазе, возникающей на поверхности во время плавления твердых тел, читайте в недавней публикации Hi-Тeсh Mail.
Источник новости: hi-tech.mail.ru
