Os pesquisadores derrubaram os modelos tradicionais de como as moléculas de água se comportam na superfície da água salgada, revelando novos insights sobre a distribuição e orientação dos íons. Este avanço, alcançado através de técnicas avançadas, tem implicações significativas para a ciência e a tecnologia climáticas. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisas inovadoras mostram que as moléculas de água na superfície da água salgada se comportam de maneira diferente do que se pensava anteriormente, oferecendo novas perspectivas para a ciência e tecnologia ambiental.
Os modelos dos livros didáticos precisarão ser redesenhados depois que uma equipe de pesquisadores descobriu que as moléculas de água na superfície da água salgada estão organizadas de maneira diferente do que se pensava anteriormente.
Muitas reações importantes relacionadas aos processos climáticos e ambientais ocorrem onde as moléculas de água interagem com o ar. Por exemplo, a evaporação da água do oceano desempenha um papel importante na química atmosférica e na ciência climática. Compreender estas reações é crucial para os esforços para mitigar o efeito humano no nosso planeta.
A distribuição de íons na interface do ar e da água pode afetar os processos atmosféricos. No entanto, uma compreensão precisa das reações microscópicas nestas importantes interfaces tem sido intensamente debatida até agora.
Representação gráfica da interface líquido/ar em solução de cloreto de sódio. Crédito: Yair Litman
Técnicas de pesquisa inovadoras
Em artigo publicado hoje (15 de janeiro) na revista Química da Natureza, pesquisadores da Universidade de Cambridge e do Instituto Max Planck de Pesquisa de Polímeros, na Alemanha, mostram que os íons e as moléculas de água na superfície da maioria das soluções de água salgada, conhecidas como soluções eletrolíticas, estão organizadas de uma maneira completamente diferente da tradicionalmente entendida. Isso poderia levar a melhores modelos de química atmosférica e outras aplicações.
Os pesquisadores decidiram estudar como as moléculas de água são afetadas pela distribuição de íons no ponto exato onde o ar e a água se encontram. Tradicionalmente, isso tem sido feito com uma técnica chamada geração de soma vibracional de frequência (VSFG). Com esta técnica de radiação laser, é possível medir vibrações moleculares diretamente nessas interfaces principais. No entanto, embora a força dos sinais possa ser medida, a técnica não mede se os sinais são positivos ou negativos, o que dificultou a interpretação dos resultados do passado. Além disso, usar apenas dados experimentais pode fornecer resultados ambíguos.
A equipe superou esses desafios utilizando uma forma mais sofisticada de VSFG, chamada VSFG com detecção heteródina (HD), para estudar diferentes soluções eletrolíticas. Eles então desenvolveram modelos computacionais avançados para simular as interfaces em diferentes cenários.
Revolucionando os modelos tradicionais
Os resultados combinados mostraram que tanto os íons carregados positivamente, chamados cátions, quanto os íons carregados negativamente, chamados ânions, são esgotados na interface água/ar. Os cátions e ânions de eletrólitos simples orientam as moléculas de água tanto para cima quanto para baixo. Isto é uma inversão dos modelos dos livros didáticos, que ensinam que os íons formam uma dupla camada elétrica e orientam as moléculas de água em apenas uma direção.
O co-primeiro autor, Dr. Yair Litman, do Departamento de Química Yusuf Hamied, disse: “Nosso trabalho demonstra que a superfície de soluções eletrolíticas simples tem uma distribuição de íons diferente da que se pensava anteriormente e que a subsuperfície enriquecida com íons determina como a interface é organizada : bem no topo há algumas camadas de água pura, depois uma camada rica em íons e, finalmente, a solução salina a granel.”
O co-primeiro autor, Dr. Kuo-Yang Chiang, do Instituto Max Planck, disse: “Este artigo mostra que combinar HD-VSFG de alto nível com simulações é uma ferramenta inestimável que contribuirá para a compreensão em nível molecular de interfaces líquidas.”
O professor Mischa Bonn, que dirige o departamento de Espectroscopia Molecular do Instituto Max Planck, acrescentou: “Estes tipos de interfaces ocorrem em todo o planeta, portanto estudá-los não só ajuda a nossa compreensão fundamental, mas também pode levar a melhores dispositivos e tecnologias. Estamos aplicando esses mesmos métodos para estudar interfaces sólido/líquido, que poderiam ter aplicações potenciais em baterias e armazenamento de energia.”
Referência: “A estratificação da superfície determina a estrutura interfacial da água de soluções eletrolíticas simples” 15 de janeiro de 2024, Química da Natureza.
DOI: 10.1038/s41557-023-01416-6
