尽管水在对地球生命至关重要的许多过程中处于中心地位,但在许多方面仍然是化学之谜。这些谜团之一是水在与空气接触的确切点的性质。

一个研究在耶鲁大学和华盛顿大学4月18日在科学杂志上发表的研究人员提供了观察和分析一个新的水平。当这些所谓的“ OH”基团中的一个伸出水面时,它们可以直接测量与栖息在水面上的键合氧和氢原子有关的频率和复杂度的变化。研究人员还提供了这些OH基团如何在水表面耦合在一起的首次测量方法。

威斯康星大学化学教授安妮·麦科伊(Anne McCoy)说:“解决基础科学问题对此很感兴趣。” “人们可以使用这些结果来测试他们在更大范围内水的行为模型,并更好地了解其他类型的水系统中正在发生的事情,例如查看散装水的结构和特性或查看水的行为。水系统中的离子。”

铯离子周围的20个水分子的结构(黄色,中间)。在水分子中,灰色表示氢原子,而氧原子则呈橙色或红色。灰色虚线表示水分子之间的氢键。Yang等,科学,2019

作为理论化学家,McCoy与耶鲁大学化学教授马克·约翰逊(Mark Johnson)是该论文的共同通讯作者。约翰逊的团队使用了几种光谱技术,其中一些是他们在实验室中开发的,用以收集关于一小滴水(仅20个围绕铯离子的水分子)表面OH基团行为的精确数据。McCoy对实验装置中所有原子之间的基本相互作用进行了计算。

McCoy的计算和耶鲁大学的测量共同使他们能够创建一个围绕铯离子的20个水分子的布局的物理模型,包括从表面黏附的OH基团的方向以及在表面的水分子的排列。

约翰逊说:“我们的工作确实是基础科学的贡献。” “它的重要性在于,水的基本力学和化学特性在许多领域都很重要,许多研究人员都参与了从第一性原理模拟这种行为的研究。我们提供了可用来校准此类模拟的定量基准。”

麦考伊说:“水有很多奇怪的东西,但这对生活至关重要。” “这样的实验使我们更加了解原因。”

该研究的主要作者是Nan Yang,合著者是Chinh Duong和Patrick Kelleher,他们都来自耶鲁大学。这项研究是由美国国家科学基金会和空军科学研究所资助的。