في تحول كبير عن المعرفة التقليدية، دراسة حديثة أجراها الباحثون جامعة كامبريدج ومعهد ماكس بلانك أبحاث البوليمر يكشف عن رؤى مذهلة في سلوك جزيئات الماء.
إن هذا الاكتشاف، الذي يستعد لإعادة رسم نماذج الكتب المدرسية، له آثار مهمة على فهمنا لعلوم المناخ والبيئة.
جزيئات الماء والمياه المالحة
تقليديا، كان من المفهوم أن جزيئات الماء أو المحاليل الإلكتروليتية في أسطح المياه المالحة تصطف بطريقة محددة.
ويلعب هذا المحاذاة دورًا مهمًا في مختلف العمليات الجوية والبيئية، مثل تبخر مياه البحر، والتي تعد جزءًا لا يتجزأ من كيمياء الغلاف الجوي وعلوم المناخ.
ولذلك، فإن الفهم الشامل لهذه السلوكيات السطحية هو المفتاح لمعالجة التأثير البشري على كوكبنا.
ومع ذلك، فإن الطرق التقليدية لدراسة هذه الأسطح، وخاصة باستخدام تقنية تسمى توليد مجموع التردد الاهتزازي (VSFG)، لها حدودها.
توليد مجموع الترددات النابضة بالحياة (VSFG)
على الرغم من أن VSFG يمكنه قياس قوة الاهتزازات الجزيئية بشكل فعال في هذه الواجهات الحرجة، إلا أنه محدود في التمييز ما إذا كانت هذه الإشارات إيجابية أم سلبية.
وقد أدت هذه الفجوة تاريخياً إلى تفسيرات غامضة للبيانات.
قام فريق بحثي يستخدم نسخة متقدمة من VSFG، تسمى heterodyne-detected (HD)-VSFG، جنبًا إلى جنب مع النمذجة الحاسوبية المتطورة، بمعالجة هذه التحديات بشكل مباشر.
سمح نهجهم بإجراء دراسة تفصيلية لمختلف محاليل الإلكتروليت وسلوكها عند الواجهة بين الهواء والماء.
نتائج ثورية
نتائج هذه الدراسة ليست ثورية. على عكس الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن الأيونات تشكل طبقة كهربائية مزدوجة، تدفع جزيئات الماء في نفس الاتجاه، توضح الأبحاث سيناريو مختلف تمامًا.
يتم امتصاص كل من الأيونات الموجبة (الكاتيونات) والأيونات السالبة (الأنيونات) من واجهة الماء/الهواء.
والأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو أن الكاتيونات والأنيونات الموجودة في الشوارد البسيطة يمكنها أن تحرف جزيئات الماء في اتجاهين لأعلى ولأسفل، مما يؤدي إلى قلب الأنماط الموجودة.
دكتور يائير ليتمان يوسف حميد قسم الكيمياءيشرح المؤلف المشارك الأول للدراسة النتائج.
وأوضح ليتمان: “يوضح عملنا أن سطح محاليل الإلكتروليت البسيطة له توزيع أيوني مختلف عما كان يعتقد سابقًا”.
“يحدد السطح المخصب بالأيونات تكوين الواجهة: في الأعلى، توجد طبقات قليلة من الماء النقي، ثم طبقة غنية بالأيونات، يليها محلول الملح السائب.”
الآثار المترتبة على دراسة جزيئات الماء
مرددًا أهمية هذه النتائج، قال د. يسلط Guo-Yang Xiang، المؤلف الأول المشارك، الضوء أيضًا على الاستخدام المشترك لتقنية HD-VSFG المتطورة وعمليات المحاكاة.
وأوضح شيانغ: “إن اقتران HD-VSFG عالي المستوى مع عمليات المحاكاة هو أداة لا تقدر بثمن يمكن أن تساهم في فهم المستوى الجزيئي للواجهات السائلة”.
يرأس البروفيسور ميشا بان قسم التحليل الطيفي الجزيئي معهد ماكس بلانكيقول: “توجد هذه الأنواع من الواجهات في كل مكان على هذا الكوكب، لذا فإن دراستها لا تساعدنا على فهمنا الأساسي فحسب، بل تؤدي أيضًا إلى أجهزة وتقنيات أفضل. ونحن نستخدم أساليب مماثلة لدراسة الواجهات الصلبة/السائلة التي لها تطبيقات محتملة في البطاريات وتخزين الطاقة.”
ويقول إن الفريق يستخدم هذه الأساليب لدراسة الواجهات الصلبة والسائلة، والتي يمكن أن يكون لها تطبيقات محتملة في مجالات مثل البطاريات وتخزين الطاقة.
باختصار، يعد هذا البحث نقلة نوعية في نطاق نماذج وتطبيقات كيمياء الغلاف الجوي، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في فهمنا للعمليات البيئية.
إنها شهادة على السعي الدؤوب للمعرفة والقوة التحويلية للبحث العلمي في إعادة تشكيل فهمنا للعالم الطبيعي.
يتم نشر الدراسة الكاملة في المجلة الكيمياء الطبيعية.
—–
هل تحب ما تقرأ؟ اشترك في النشرة الإخبارية لدينا للحصول على مقالات جذابة ومحتوى حصري وآخر التحديثات.
تفضل بزيارتنا على EarthSnap، وهو تطبيق مجاني من Eric Ralls وEarth.com.
—–
