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神奇!科学家首次发现水-空气界面竟然存在类冰结构,登上顶刊《JACS》!

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神秘的水界面现象

在水的界面处,无论是与气体、固体还是其它液体的界面,由于平衡分子力场的破坏,会改变界面处的微观结构,在许多领域产生了深远影响,如界面化学的改变、大气气溶胶行为、冰核的产生等,但是其分子起源仍然是个谜。有的科学家认为,界面现象可能与液体结构固有的瞬态和短程特征有关。

振动和频光谱技术(VSFG)专门用于探索缺乏中心对称性的分子环境,因此非常适合研究界面问题。人们发现水/空气这种“软”界面处VSFG的谱图特征竟然与固体冰的有些类似,如在水/空气界面,3700 cm -1处的宽峰对应水分子中的羟基振动,而且氢原子超向空气;而在固体冰中,3700 cm -1是低能量基面的特征。

Shen和Ostroverkhov等人甚至推测水/空气界面可能存在一个类冰结构。最近,Willard和Chandler等人也认为在这个“软”界面处,水实际上是高度结构化的。

虽然科学家纷纷猜测,在界面处存在一个界面层,其中的密度、取向、氢键及其网络、分子偶极矩都与液态水的本体大不相同,但一直没有系统性阐述。

水/空气界面发现类冰结构

加利福尼亚大学伯克利分校Phillip L. Geissler教授团队利用分子动力学模拟,将水/空气与冰/空气的界面结构从纵向和横向两个角度进行了全面对比,发现在垂直界面处,分子密度取向、最外层分子氢键取向、平均偶极矩均、平面分子氢键取向均与冰面类似,只是曲线相干长度为2~3分子直径,但是在7~8Å距离后完全衰减,这些证据均表明在水/空气界面存在一个类冰层结构,只是不像冰晶那样结构规整。但是,他们也指出,这并不意味着液态水中存在冰晶结构。

冰的结构

图1. 冰的结构示意图。

自从1932年,Bernal和Fowler提出水分子模型后,人们就发现六边形的冰晶是四面体结构,其基本的六边形结构块必须是“皱褶”或“椅子”形状,皱褶的六边形在一个平面上形成了高(图1中的橙色)和低(图1中的黄色)的基面(0001),每个水分子在三个六边形的顶点处,在两层之间形成三个氢键,与相邻的六边形双层形成第四个氢键。因此,在微观结构上,冰可以看作是一堆皱巴巴的六边形平面,以氢键为“柱”连接而成。

相似性证据1:分子密度分布类似

图2.水/空气(红色)和冰/空气(蓝色)界面处的分子密度和氢键取向模式比较。

研究者发现在137 K的低温下,冰表面形成了理想晶格典型的双层结构, L1A和L1B之间的垂直距离为0.96Å,L1A到L2A之间的距离为3.68Å。在水/空气界面处,虽然分子密度曲线不像冰面那样规则,但在1.9Å和4.7 Å处也出现了两个明显的峰,在8.5 Å处还存在不太明显的第三个峰(图2a)。水和冰界面处密度分布的相似性表明,液体表面同样存在与冰面类似的分层结构。但是,他们也指出,冰界面处L1A和L1B之间密度接近,而在水界面处,大量分子从液态的L1A转移到了L1B,导致两者平均密度相差2倍。

相似性证据2:最外层分子氢键取向类似

在冰界面处,最外层分子受到晶格的限制,分子中氢键方向的余弦值只能有4个:±1/3和±1(图2b中的黑点);在水界面处,氢键取向虽然更宽一些,在L1层半峰宽为30°,L2层则更宽一些,但其概率分布依然与冰界面处高度吻合,特别是在0.5Å深度处(图2b)。

相似性证据3:平均偶极矩分布类似

图3. 水/空气(红色)和冰/空气(蓝色)平均偶极矩曲线。

在四面体结构中,分子平均偶极矩为零。研究者发现,在平均偶极矩随深度变化的曲线中,水和冰界面曲线存在相似性:在L1A处,曲线为零;在L1A/L1B边界处,曲线达到最小值(图3)。

相似性证据4:平面分子氢键取向类似

图4. 水/空气(红色)和冰/空气(蓝色)平面分子氢键取向相关函数曲线。

研究者利用平面分子氢键取向相关函数S(r)研究了平行界面方向,水和冰分子中的氢键取向情况。理想冰晶面的S(r)为±1(图4中的星型)。在137 K的冰界面处,虽然存在缺陷,但S(r)曲线非常接近理想晶格(图4中的蓝色曲线)。在水界面处,虽然S(r)曲线强度有所衰减,但其分布形状与冰非常类似(图4中的红色曲线)。这种相似性表明,在水/空气界面处,不仅在垂直界面方向,在水平界面方向同样存在与冰类似的结构,曲线相干长度为2~3分子直径,但是在7~8Å距离后完全衰减。

小结:研究者利用分子模拟,对比了水/空气和冰/空气界面处的微观结构,发现两者在分子密度、最外层分子氢键取向、平均偶极矩分布和平面分子氢键取向这四方面均存在相似性,描绘了一幅水/空气界面的微观图画,认为在该界面处水分子存在类冰结构,虽然与冰界面相比,该结构要模糊许多,但其结构化特征非常明显。这一研究成果,让我们对水界面的认识更加深入。

原文链接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c01827

来源:高分子科学前沿

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