وفي خروج ملحوظ عن المعرفة التقليدية، أظهرت دراسة حديثة أجراها باحثون من جامعة كامبريدج ومعهد ماكس بلانك أبحاث البوليمر يكشف عن رؤى ثورية في سلوك جزيئات الماء.
وهذا الاكتشاف، الذي يستعد لإعادة تشكيل النماذج الكلاسيكية، له آثار مهمة على فهمنا لعلوم المناخ والبيئة.
جزيئات الماء والمياه المالحة
تقليديا، من المفهوم أن جزيئات الماء الموجودة على سطح الماء المالح، أو المحاليل الإلكتروليتية، تصطف بطريقة معينة.
ويلعب هذا المحاذاة دورًا مركزيًا في مختلف العمليات الجوية والبيئية، مثل تبخر مياه المحيطات، والذي يعد جزءًا لا يتجزأ من كيمياء الغلاف الجوي وعلوم المناخ.
ولذلك، فإن الفهم الشامل لهذه السلوكيات السطحية أمر ضروري لمعالجة التأثير البشري على كوكبنا.
ومع ذلك، فإن الطرق التقليدية لدراسة هذه الأسطح، وخاصة باستخدام تقنية تعرف باسم توليد مجموع التردد الاهتزازي (VSFG)، لها حدودها.
توليد مجموع الترددات الاهتزازية (VSFG)
على الرغم من أن VSFG يمكنه قياس قوة الاهتزازات الجزيئية بشكل فعال في هذه الواجهات الحرجة، إلا أنه يفشل في التمييز بين ما إذا كانت هذه الإشارات إيجابية أم سلبية.
وقد أدى هذا التناقض تاريخياً إلى تفسيرات غامضة للبيانات.
قام فريق البحث، باستخدام نسخة متقدمة من VSFG، المعروفة باسم VSFG للكشف عن المتغاير (HD)، جنبًا إلى جنب مع النمذجة الحسابية المتطورة، بمعالجة هذه التحديات بشكل مباشر.
سمح نهجهم بإجراء دراسة أكثر دقة لمختلف المحاليل الإلكتروليتية وسلوكها عند السطح البيني للهواء والماء.
نتائج ثورية
إن اكتشافات هذه الدراسة هي ببساطة ثورية. على عكس الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأن الأيونات تشكل طبقة كهربائية مزدوجة، توجه جزيئات الماء في اتجاه واحد فقط، يوضح البحث سيناريو مختلف تمامًا.
يتم استنفاد الأيونات الموجبة (الكاتيونات) والأيونات السالبة (الأنيونات) عند السطح البيني للماء/الهواء.
والأكثر إثارة للاهتمام هو أن الكاتيونات والأنيونات الموجودة في الإلكتروليتات البسيطة يمكنها توجيه جزيئات الماء لأعلى ولأسفل، مما يؤدي إلى قلب النماذج الحالية رأسًا على عقب.
الدكتور يائير ليتمان قسم الكيمياء يوسف حميدالمؤلف الأول المشارك للدراسة، يتوسع في النتائج.
وأوضح ليتمان: “يوضح عملنا أن سطح محاليل الإلكتروليت البسيطة يُظهر توزيعًا أيونيًا مختلفًا عما كان يُعتقد سابقًا”.
“يحدد باطن الأرض المخصب بالأيونات تنظيم الواجهة: في الأعلى، توجد طبقات قليلة من الماء النقي، ثم طبقة غنية بالأيونات، يليها المحلول الملحي السائب”.
الآثار المترتبة على دراسة جزيئات الماء
تكرارًا لأهمية هذه النتائج، يسلط الدكتور كو يانج تشيانج من معهد ماكس بلانك، وهو أيضًا مؤلف مشارك أول، الضوء على الاستخدام المشترك لـ HD-VSFG عالي المستوى وعمليات المحاكاة.
وأوضح تشيانغ: “توضح هذه الورقة أن الجمع بين HD-VSFG عالي المستوى وعمليات المحاكاة يعد أداة لا تقدر بثمن من شأنها أن تساهم في فهم الواجهات البينية السائلة على المستوى الجزيئي”.
البروفيسور ميشا بون، الذي يرأس قسم التحليل الطيفي الجزيئي في الجامعة معهد ماكس بلانكيقول: “هذه الأنواع من الواجهات موجودة في كل مكان على هذا الكوكب. وبالتالي فإن دراستهم لا تساهم في فهمنا الأساسي فحسب، بل يمكن أن تؤدي أيضًا إلى أجهزة وتقنيات أفضل. نحن نطبق نفس هذه الأساليب لدراسة الواجهات الصلبة/السائلة، والتي يمكن أن يكون لها تطبيقات محتملة في البطاريات وتخزين الطاقة.
ويضيف أن الفريق يطبق هذه الأساليب لدراسة الواجهات الصلبة/السائلة، والتي يمكن أن يكون لها تطبيقات محتملة في مجالات مثل البطاريات وتخزين الطاقة.
باختصار، يمثل هذا البحث نقلة نوعية في نماذج كيمياء الغلاف الجوي ومجموعة من التطبيقات، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في فهمنا للعمليات البيئية.
إنها شهادة على السعي الدؤوب للمعرفة والقوة التحويلية للبحث العلمي لإعادة تشكيل فهمنا للعالم الطبيعي.
ونشرت الدراسة كاملة 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 يقدمه لك Eric Ralls وEarth.com.
—–
“هواة الإنترنت المتواضعين بشكل يثير الغضب. مثيري الشغب فخور. عاشق الويب. رجل أعمال. محامي الموسيقى الحائز على جوائز.”