Исследователи впервые описали расположение молекул на поверхности воды

Исследователи из Института Фрица Габера и Свободного университета Берлина установили точное расположение молекул воды в тонком слое на границе раздела с воздухом. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances.

Граница между водой и воздухом представляет собой область толщиной около 8 ангстрем, которая включает четыре молекулярных слоя. Ниже этой зоны вода приобретает обычные свойства объемной жидкости. До настоящего времени получить детальные данные о структуре этой области не удавалось из-за ее малой толщины.

Ученые применили новую методику колебательной спектроскопии с разрешением по глубине. Метод основан на облучении поверхности воды инфракрасным и видимым лазерами, что вызывает нелинейные колебания молекул. В результате генерируются два новых лазерных луча с измененными частотами. Анализ различий в фазе и амплитуде этих сигналов позволил выделить данные из приповерхностной области.

Полученные спектры сопоставили с компьютерным моделированием. Это показало, что молекулы воды в четырех приповерхностных слоях имеют упорядоченную ориентацию с чередующимися углами наклона и скручивания от слоя к слою. Угол наклона характеризует положение диполя молекулы относительно поверхности, а угол скручивания описывает вращение вокруг дипольной оси.

Исследование продемонстрировало, что распространенный подход к анализу структуры межфазной воды через простую ориентацию молекул является недостаточным. Распределение молекулярных скручиваний по глубине границы раздела оказалось критически важным параметром для понимания процессов на водных поверхностях.