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ケンブリッジ大学とマックス・プランク高分子研究所の研究者らは、塩水表面の水分子に関する既存のモデルを覆す画期的な発見をした。研究者たちは、電荷を帯びた粒子(イオン)は、これまで考えられていたように溶液の表面で活動しているのではなく、その代わりに表面下の層に存在していることを報告している。

ケンブリッジ大学のプレスリリースによれば、この発見が意味するところは、大気や環境の重要なプロセスにまで及び、教科書のモデルを描き直す必要があるという。

「われわれの研究は、単純な電解質溶液の表面には、これまで考えられていたのとは異なるイオン分布があり、イオンが濃縮された表面下が界面の組織化を決定することを示しています」とケンブリッジ大学の理論化学者Yair Litman氏は言う。

新たな水の分子構造を解明

研究チームは、空気と水の交差点における水分子の挙動を研究するために、ヘテロダイン検出振動和周波発生(HD-VSFG)という高度な技術を採用した。従来のVSFGが信号強度を測定するのに対し、HD-VSFGは信号の正負を識別することができ、解釈における過去の課題を克服した。実験データを補完するために、研究チームはさまざまなシナリオをシミュレートする複雑なコンピューターモデルを開発した。

ニューラルネットワークを利用したモデルとともに、この改良された技術により、研究チームは表面のイオンがプラスに帯電しているか(陽イオン)、マイナスに帯電しているか(陰イオン)を確認することができた。

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既存のモデルでは、すべての陽イオンまたはすべての陰イオンが表面で「上向き」を向いており、上の下向きと上向きの画像に見られるように、電気二重層として知られるものの最上層を形成している。(Credit: Litman et al., Nature Chemistry, 2024)

その結果、既成概念に反して、水と空気の界面では陽イオンと陰イオンが減少していることが示された。さらに、単純な電解質のイオンは、水分子を上下両方向に配向させることがわかり、イオンが電気二重層を形成し、水分子を一方向にのみ配向させるという一般的な考え方が覆された。

Litman氏は、その重要性を強調した:「我々の研究は、単純な電解質溶液の表面は、これまで考えられていたのとは異なるイオン分布を持っており、イオンが濃縮された表面下が界面がどのように組織されるかを決定することを示しています」。

この新しい研究では、イオンの地下層を検出するだけでなく、これらのイオンが一方向だけでなく、上下両方向(分子の実際の物理的配置を指す)に配向できることも明らかになった。

「最上部には数層の純水があり、次にイオンが豊富な層があり、最後にバルクの塩溶液があります」とLitman氏は言う。

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塩化ナトリウム水溶液中の液体と空気の界面を図式化したもの。 (Credit: Yair Litman)

簡単に言えば、この実験によって、ほとんどの単純な電解質溶液の境界で何が起こっているかが明らかになる。分子配列が、周囲のものとどのように反応するかを教えてくれるのだ。

表層における水の分子組織の複雑さを理解することは、気候科学に直接影響を与える。大気化学において重要なプロセスである海洋水の蒸発は、これらの分子間相互作用と複雑に関係している。この画期的な発見は、大気化学モデルの強化に道を開き、人類が地球に与える影響を理解し緩和する努力を助けるかもしれない。

また、研究者たちは、われわれを取り巻く世界についての理解を深めるだけでなく、固体と液体を組み合わせる必要があるあらゆる技術(バッテリーなど)の開発にも役立つ可能性があることを示唆している。

マックス・プランク高分子研究所の分子物理学者Mischa Bonn氏は、「このような界面は地球上のどこにでも存在するため、これを研究することは基礎的な理解に役立つだけでなく、より優れたデバイスや技術の開発にもつながります」と語る。

「私たちは、これらの同じ方法を、電池やエネルギー貯蔵に応用できる可能性のある固体/液体界面の研究に応用しています」。


論文

参考文献

研究の要旨

空気と水の界面におけるイオンの分布は、多くの自然プロセスにおいて決定的な役割を果たしている。いくつかの研究では、大きなイオンは表面活性を持つ傾向があると報告されており、これはイオンが水面の上に位置し、それによって界面水の構造を決定する電場を誘起していることを示唆している。ここでは、表面特異的ヘテロダイン検出振動和周波発生とニューラルネットワーク支援第一原理分子動力学シミュレーションを組み合わせることによって、この見解に挑戦する。われわれの結果は、典型的な電解質溶液中のイオンは、実際には地下領域に存在し、そのような界面が2つの特徴的な水層に成層することを示している。一番外側の表面はイオンが欠乏しており、地下の層はイオンが濃縮されている。この表面成層は、一番外側の空気/水界面におけるイオンによる水の再編成を説明する上で重要な要素である。

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