Mikroskopischer Blick auf Atmosphärenchemie Studie widerspricht Lehrbuchmeinung über Salzwasser

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Viele wichtige Reaktionen im Zusammenhang mit Klima- und Umweltprozessen finden an der Schnittstelle zwischen Wassermolekülen und Luft statt. Ein Forscherteam hat nun herausgefunden, dass die Wassermoleküle an der Oberfläche von Salzwasser anders organisiert sind als bisher angenommen, so dass die Lehrbuchmodelle überarbeitet werden müssen.

Die Verteilung von Ionen an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser ist für viele atmosphärische Prozesse von Bedeutung. Ein genaues Verständnis der mikroskopischen Vorgänge war bisher jedoch Gegenstand intensiver Debatten. Das Verständnis dieser Reaktionen ist jedoch entscheidend für die Bemühungen, die Auswirkungen des Menschen auf unseren Planeten einzudämmen. In einer nun in Nature Chemistry veröffentlichten Publikation zeigen Forschende des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Deutschland, dass Ionen und Wassermoleküle an der Oberfläche der meisten Salz-Wasser-Lösungen, den so genannten Elektrolytlösungen, völlig anders organisiert sind als traditionell verstanden. Dies könnte zu besseren Modellen der Atmosphärenchemie und anderen Anwendungen führen.

Vibrations-Summenfrequenz-Erzeugung 2.0

Die Forschenden untersuchten, wie die Wassermoleküle durch die Verteilung der Ionen genau an der Stelle beeinflusst werden, an der Luft und Wasser aufeinandertreffen. Traditionell wurde dies mit einer Technik namens Vibrations-Summenfrequenz-Erzeugung (vibrational sum-frequency generation, VSFG) durchgeführt. Mit dieser Technik, bei der Laserstrahlung eingesetzt wird, ist es möglich, Molekülschwingungen direkt an diesen wichtigen Grenzflächen zu messen. Mit diesen Messungen kann zwar die Stärke der Signale gemessen werden, nicht aber, ob die Signale positiv oder negativ sind, was die Interpretation der Ergebnisse in der Vergangenheit erschwert hat, da das Vorzeichen des Signals widerspiegelt, ob das Wasser an der Oberfläche nach oben oder unten gerichtet ist. Außerdem kann die alleinige Verwendung experimenteller Daten zu mehrdeutigen Ergebnissen führen.

Das Team meisterte diese Herausforderungen, indem es eine weiterentwickelte Form der VSFG, die so genannte heterodyne detected (HD)-VSFG, zur Untersuchung verschiedener Elektrolytlösungen einsetzte. Anschließend entwickelten sie fortschrittliche Computermodelle, um die Grenzflächen in verschiedenen Szenarien zu simulieren.

Ergebnisse kehren Lehrbuchmodelle um

Die kombinierten Ergebnisse zeigten, dass sowohl positiv geladene Ionen, so genannte Kationen, als auch negativ geladene Ionen, so genannte Anionen, an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft verarmt sind. Die Kationen und Anionen der einfachen Elektrolyte orientieren die Wassermoleküle sowohl nach oben als auch nach unten. Dies stellt eine Umkehrung der Lehrbuchmodelle dar, die besagen, dass Ionen eine elektrische Doppelschicht bilden und die Wassermoleküle nur in eine Richtung ausrichten.

Co-Erstautor Dr. Yair Litman, der inzwischen ein DFG-Stipendium als Theoretischer Chemiker am Yusuf Hamied Department of Chemistry der Universität Cambridge innehat, sagt: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Oberfläche von einfachen Elektrolytlösungen eine andere Ionenverteilung aufweist als bisher angenommen und dass der ionenreiche Untergrund bestimmt, wie die Grenzfläche organisiert ist: Wenn man von der Luft in die Salzlösung eintritt, trifft man zunächst auf einige Schichten reinen Wassers, dann folgt eine ionenreiche Schicht, bevor man die Hauptflüssigkeit erreicht.“

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Co-Erstautor Dr. Kuo-Yang Chiang vom Max-Planck-Institut sagt: „Diese Arbeit zeigt, dass die Kombination von HD-VSFG mit Simulationen ein unschätzbares Werkzeug ist, das zum Verständnis von Flüssigkeitsgrenzflächen auf molekularer Ebene beitragen wird.“

Prof. Mischa Bonn, Leiter des Arbeitskreises Molekulare Spektroskopie des Max-Planck-Instituts, fügt hinzu: „Diese Art von Grenzflächen kommt überall auf der Welt vor, so dass ihre Untersuchung nicht nur zu unserem grundlegenden Verständnis beiträgt, sondern auch zu besseren Geräten und Technologien führen kann. Wir wenden dieselben Methoden an, um Fest-Flüssig-Grenzflächen zu untersuchen, die potenzielle Anwendungen in Batterien und Energiespeichern haben könnten.“

Originalpublikation: Yair Litman, Kuo-Yang Chiang, Takakazu Seki, Yuki Nagata, Mischa Bonn: Surface stratification determines the interfacial water structure of simple electrolyte solutions, Nat. Chem. (2024)

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