有关水分子的新发现与教科书模型相悖

许多与气候和环境过程有关的重要反应都发生在水分子与空气接触的地方。例如，海水蒸发在大气化学和气候科学中发挥着重要作用。了解这些反应对于减轻人类对地球的影响至关重要。一组研究人员发现，盐水表面水分子的组织方式与以前想象的不同，教科书上的模型需要重新绘制，这为环境科学与技术提供了新的视角。

离子在空气和水界面的分布会影响大气过程。然而，如何准确理解这些重要界面上的微观反应至今仍存在激烈的争论。

氯化钠溶液中液体/空气界面的图示。资料来源：Yair Litman

剑桥大学和德国马克斯-普朗克聚合物研究所的研究人员在今天（1 月 15 日）发表在《自然-化学》杂志上的一篇论文中指出，大多数盐水溶液（即电解质溶液）表面的离子和水分子的组织方式与传统认识完全不同。这可能会带来更好的大气化学模型和其他应用。

研究人员着手研究水分子如何受到空气和水交汇处离子分布的影响。传统上，这种研究是通过一种名为振动总频发生（VSFG）的技术来完成的。利用这种激光辐射技术，可以直接测量这些关键界面上的分子振动。不过，虽然可以测量信号的强度，但该技术无法测量信号是正还是负，这使得过去很难解释研究结果。此外，仅使用实验数据也会得出模棱两可的结果。

研究小组克服了这些难题，利用一种更复杂的 VSFG 形式（称为外差检测 (HD)-VSFG）来研究不同的电解质溶液。然后，他们开发了先进的计算机模型来模拟不同情况下的界面。

颠覆传统的模型

综合结果表明，带正电荷的离子（称为阳离子）和带负电荷的离子（称为阴离子）都会从水/空气界面中耗尽。简单电解质中的阳离子和阴离子会使水分子向上或向下定向。这与教科书上的模型相反，教科书上的模型认为离子形成电双层，水分子只定向一个方向。

共同第一作者、来自优素福-哈米德化学系的亚伊尔-利特曼博士说："我们的研究表明，简单电解质溶液表面的离子分布与之前认为的不同，富含离子的次表层决定了界面的组织方式：最上面是几层纯水，然后是富含离子的层，最后是大体积盐溶液。"

共同第一作者、马克斯-普朗克研究所的 Kuo-Yang Chiang 博士说："这篇论文表明，将高水平的 HD-VSFG 与模拟相结合是一种宝贵的工具，将有助于从分子层面了解液体界面"。

马克斯-普朗克研究所分子光谱学部门负责人米沙-波恩（Mischa Bonn）教授补充说："这些类型的界面在地球上随处可见，因此对它们的研究不仅有助于我们从根本上理解它们，还能带来更好的设备和技术。我们正在运用这些相同的方法来研究固/液界面，这可能会在电池和储能领域得到潜在的应用。"

编译来源：ScitechDaily