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液态水不仅仅是H2O分子

作者:Skolkovo科学技术学院

Skoltech科学家与斯图加特大学的研究人员合作表明,纯液态水中短暂离子(H3O+和OH-)的浓度远高于评估pH所假定的浓度,因此显著改变了我们对水动力学结构的理解。研究结果发表在《科学报告》中。

在当前研究中已确定的轻(红色),重(蓝色),半重(灰色)水和离子物质的红外光谱。红色,白色和黑色圆圈分别表示氧,氢和氘原子。

在当前研究中已确定的轻(红色),重(蓝色),半重(灰色)水和离子物质的红外光谱。红色,白色和黑色圆圈分别表示氧,氢和氘原子。箭头表示物质振动变形的方向。图片:Skoltech

液态水的内在离子种类在氧化还原过程,催化反应和电化学系统中起重要作用。由于核量子效应,H2O分子之间氢原子的低势垒隧穿有望产生短暂的过量质子态。但是,迄今为止,还没有关于纯水中这种过量质子态浓度的信息。

Skoltech科学家与德国研究人员合作,在亚皮秒级的时间内测量了液态水的离子分子组成。结果使科学家感到惊讶,因为他们观察到高达百分之几的H2O分子被暂时电离。

“我们使用了水同位素同位素:普通(H2O),重(D2O)和半重(HDO)水来识别质子过剩状态。通过将氢原子(H)逐渐替换为氘(D),我们改变了与过量质子相关的物质(如HD2O+,DH2O+,H3O+和D3O+)的相对浓度,并确定了它们对累积红外吸收的贡献。我们发现半重水分子弯曲模式附近的浓度依赖性光谱特征,尚无已知模型能够解释。我们将这些特征与可能在皮秒级的量级存在的过量质子相关联,”合著者之一,来自Skoltech能源科学与技术中心(CEST)的Henni Ouerdane教授说。

“虽然先前对水结构的研究都是基于晶体学实验,但并未反映水的动力学,但我们的研究为超短时间尺度的复杂水结构带来了新见解。该发现预示了电场与水相互作用以及水的其他异常性质的新影响。”主要作者,CEST高级研究人员Vasily Artemov博士总结道。

论文网址:https://doi.org/10.1038/s41598-020-68116-w

期刊信息:Scientific Reports | (2020)


来源网址:https://www.skoltech.ru/en/2020/07/liquid-water-is-more-than-just-H2O-molecules/

声明:本文由 Cpolymer 编译,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

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