Mainzer Forschende: Grenzschicht zwischen Salzwasser und Luft anders als bisher geglaubt
Bislang nahmen Fachleute an, dass sich an der Grenzfläche von Salzwasser zur Luft eine Schicht aus Ionen – den elektrisch geladenen Teilen der Salze – bildet. Neue Erkenntnisse von Forschenden aus Mainz zeigen jedoch, dass diese oberste Schicht überwiegend aus reinem Wasser besteht.
Die Grenzschicht zwischen Salzwasser und Luft verhält sich anders, als bisher angenommen, das verändert das Verständnis von Klima und Atmosphäre.
Foto: PantherMedia / melis82
Zahlreiche klima- und umweltrelevante Reaktionen ereignen sich an der Grenzfläche von Wasser und Luft. Die Verdunstung von Meerwasser beispielsweise ist zentral für die Chemie der Atmosphäre und das Klima. Das genaue Verständnis dieser Prozesse ist essenziell, um den menschlichen Einfluss auf die Erde zu minimieren. Forschende haben nun entdeckt, dass die Anordnung der Wassermoleküle an Salzwasseroberflächen anders ist als bisher vermutet. Diese Erkenntnis zwingt dazu, etablierte Modelle zu überdenken.
Was passiert in der Zone zwischen Salzwasser und Luft?
Rund 70 Prozent unseres Planeten sind von Ozeanen bedeckt, was zu einer umfangreichen Kontaktzone zwischen Salzwasser und Luft führt. Der Austausch von Gasen und Energie in dieser Grenzschicht beeinflusst sowohl die Chemie der Meere als auch die Erdatmosphäre und das Klima. Das Verständnis der Beschaffenheit dieser Grenzschicht und der dort wirkenden Moleküle ist daher wichtig zu verstehen. Doch Meerwasser ist ein komplexes Gemisch aus Wassermolekülen und gelösten Salzionen.
So war ein genaues Verständnis der mikroskopischen Vorgänge bisher Gegenstand intensiver Debatten. Etwas überraschend zeigen Forschungen des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung in Mainz jedoch, dass die Struktur von Ionen und Wassermolekülen an der Oberfläche von Salz-Wasser-Lösungen (Elektrolytlösungen) von bisherigen Annahmen abweicht. Die Erkenntnisse der in der Fachzeitschrift Nature Chemistry veröffentlichen Publikation könnten nun zu präziseren Modellen der Atmosphärenchemie und weiteren Anwendungen führen.
Was wurde genau untersucht?
Die Mainzer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben für ihre Studie erforscht, wie Ionen die Anordnung von Wassermolekülen an der Schnittstelle zwischen Luft und Wasser beeinflussen. Für solche Untersuchungen wurde üblicherweise die Vibrations-Summenfrequenz-Erzeugung (VSFG) eingesetzt, eine Methode, die Laser nutzt, um Molekülschwingungen an diesen Grenzflächen präzise zu erfassen.
Diese Technik ermöglicht es zwar, die Intensität der molekularen Schwingungssignale zu messen, jedoch nicht deren Richtung (positiv oder negativ). Diese Einschränkung erschwerte bisher die Deutung der Daten, da die Richtung des Signals aufzeigt, ob sich die Wassermoleküle an der Oberfläche nach oben oder unten orientieren. Zudem führt die alleinige Verwendung experimenteller Daten oft zu Interpretationen, die mehrere Deutungen zulassen.
Wie wurden die Herausforderungen gemeistert?
Das Team bewältigte die Herausforderungen durch den Einsatz einer verbesserten Version der Vibrational Sum Frequency Generation (VSFG), bekannt als heterodyne-detected (HD)-VSFG, um verschiedene Elektrolytlösungen zu analysieren. Darüber hinaus entwickelten sie fortschrittliche Computermodelle, um die Wechselwirkungen an den Grenzflächen in unterschiedlichen Situationen zu simulieren.
Aus dieser Kombination von experimentellen Daten und Modellierung ergab sich ein neues Verständnis: An der Wasseroberfläche sind sowohl positiv geladene (Kationen) als auch negativ geladene (Anionen) Ionen vermindert vorhanden. Die oberste Schicht besteht demnach fast ausschließlich aus reinem Wasser.
Im Gegensatz zu den Annahmen klassischer Modelle, die von einer elektrischen Doppelschicht und einer einseitigen Ausrichtung der Wassermoleküle ausgehen, zeigte sich, dass die Ionen in einfachen Elektrolyten die Wassermoleküle in beide Richtungen ausrichten können, was die bisherigen Lehrmeinungen umkehrt.
Das sagt das Forschungsteam zu den Ergebnissen
Co-Erstautor Dr. Yair Litman, der inzwischen ein DFG-Stipendium als Theoretischer Chemiker am Yusuf Hamied Department of Chemistry der Universität Cambridge innehat, sagt: „Unsere Arbeit zeigt, dass die Oberfläche von einfachen Elektrolytlösungen eine andere Ionenverteilung aufweist als bisher angenommen und dass der ionenreiche Untergrund bestimmt, wie die Grenzfläche organisiert ist: Wenn man von der Luft in die Salzlösung eintritt, trifft man zunächst auf einige Schichten reinen Wassers, dann folgt eine ionenreiche Schicht, bevor man die Hauptflüssigkeit erreicht.“
Co-Erstautor Dr. Kuo-Yang Chiang vom Max-Planck-Institut ergänzt: „Diese Arbeit zeigt, dass die Kombination von HD-VSFG mit Simulationen ein unschätzbares Werkzeug ist, das zum Verständnis von Flüssigkeitsgrenzflächen auf molekularer Ebene beitragen wird.“
Prof. Mischa Bonn, Leiter des Arbeitskreises Molekulare Spektroskopie des Max-Planck-Instituts, fügt hinzu: „Diese Art von Grenzflächen kommt überall auf der Welt vor, so dass ihre Untersuchung nicht nur zu unserem grundlegenden Verständnis beiträgt, sondern auch zu besseren Geräten und Technologien führen kann. Wir wenden dieselben Methoden an, um Fest-Flüssig-Grenzflächen zu untersuchen, die potenzielle Anwendungen in Batterien und Energiespeichern haben könnten.“
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