研究表明盐水表面水分子的组织方式与之前认为的不同

空气/水界面上的离子分布在许多自然过程中起着决定性作用。一些研究报告称，较大的离子往往具有表面活性，这意味着离子位于水面顶部，从而感应出决定界面水结构的电场。然而，剑桥大学和马克斯普朗克聚合物研究所的化学家的新研究对这一观点提出了挑战。他们的结果表明，典型电解质溶液中的离子实际上位于地下区域，导致此类界面分层成两个独特的水层。

许多与气候和环境过程相关的重要反应发生在水分子与空气的界面处。

例如，海水蒸发在大气化学和气候科学中发挥着重要作用。

了解这些反应对于减轻人类对地球的影响至关重要。

空气和水界面上的离子分布会影响大气过程。然而，迄今为止，对这些重要界面处微观反应的精确理解一直存在激烈争论。

剑桥大学的 Yair Litman 博士及其同事开始研究空气和水相遇的确切位置上的离子分布如何影响水分子。

传统上，这是通过一种称为振动和频生成(VSFG)的技术来完成的。

利用这种激光辐射技术，可以直接测量这些关键界面处的分子振动。

然而，尽管可以测量信号的强度，但该技术无法测量信号是正信号还是负信号，这使得解释过去的发现变得困难。此外，单独使用实验数据可能会得出不明确的结果。

作者通过利用一种更复杂的 VSFG(称为外差检测 (HD)-VSFG)来研究不同的电解质溶液，从而克服了这些挑战。

然后，他们开发了先进的计算机模型来模拟不同场景下的界面。

综合结果表明，带正电的离子(称为阳离子)和带负电的离子(称为阴离子)都从水/空气界面耗尽。

简单电解质的阳离子和阴离子使水分子向上和向下定向。

这是教科书模型的逆转，教科书模型教导离子形成双电层并使水分子仅沿一个方向定向。

“我们的工作表明，简单电解质溶液的表面具有与之前认为的不同的离子分布，并且富含离子的次表面决定了界面的组织方式：在最顶部有几层纯水，然后是离子-丰富的层，最后是散装盐溶液，”利特曼博士说。

“我们的论文表明，将高级 HD-VSFG 与模拟相结合是一种非常宝贵的工具，它将有助于在分子水平上理解液体界面，”马克斯·普朗克聚合物研究所研究员 Kuo-Yang Jiang 博士说。

“这些类型的界面在地球上随处可见，因此研究它们不仅有助于我们的基本理解，而且还可以带来更好的设备和技术，”同样来自马克斯·普朗克聚合物研究所的米沙·波恩教授说。

“我们正在应用这些相同的方法来研究固/液界面，这可能在电池和能源存储方面具有潜在的应用。”

该研究发表在《自然化学》杂志上。