Сложности переходного процесса: явно необычное поведение молекул на границе между водой и воздухом

Вода оказалась значительно более сложной: ученые обнаружили скрытую структуру из четырех слоев на ее поверхности. Это открытие может изменить климатические модели и представление о границе двух сред.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 представлял истинную сложность таких поверхностей.Источник: Unsplash

Исследователи из Института Фрица Хабера и Свободного университета Берлина установили, что граница между водой и воздухом имеет гораздо более сложное строение, чем считалось ранее. Вместо простой модели, где молекулы воды располагаются «вверх или вниз», ученые выявили сложную систему из четырех слоев с различной ориентацией. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Ключевым параметром стало так называемое «скручивание» молекул воды — характеристика, которая ранее практически не учитывалась. Именно она, как показало исследование, имеет важное значение 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: FHIИсточник: https://phys.org/

Тонкий слой, от которого зависит все

Граница вода–воздух — это сверхтонкая зона, однако именно она определяет множество процессов: от химии атмосферы до функционирования клеток в живых организмах. Исследование показало, что в данной области молекулы формируют упорядоченную структуру из четырех слоев, в которой их наклон и вращение меняются местами. Это опровергает упрощенные модели и способствует более точному описанию процессов, происходящих, 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 атмосферы;
• Моделирования физико-химических процессов на границах двух сред в промышленности, быту, прикладной науке;
• Понимания биологических процессов на клеточном уровне.

Именно на поверхности океанов происходят реакции, которые влияют на состав атмосферы и на образование аэрозолей, отражающих солнечный свет и влияющих на интенсивность инсоляции и прогрев поверхности Земли.

Спектры изгиба второго порядка на границе воздух-водаИсточник: https://www.science.org/

Ранее полагали, что вода на поверхности ведет себя практически так же, как в объеме. Однако современные методы (включая спектроскопию и моделирование) показывают, что поверхность представляет собой отдельную «фазу», уникальный сверхтонкий мир со своими физическими свойствами.

Что дальше

Это открытие может вызвать пересмотр теорий межфазных процессов и усовершенствование климатических моделей. Кроме того, оно имеет значение для разработки новых технологий — например, в области очистки воды и химического синтеза на границах фаз.