قياس سُمك السطح البيني الهوائي للماء

تعتبر الطبقة البينية بين الهواء والماء من أكثر الحدود انتشارًا في الطبيعة وتلعب دورًا رئيسيًا في العديد من العمليات الطبيعية والصناعية. ولكن على الرغم من عقود من الأبحاث، لم يسبق للعلماء أن قاسوا بشكل مباشر إحدى أهم الخصائص الأساسية للواجهة - مدى سماكة طبقة جزيئات الماء المتباينة الخواص عند الحد الفاصل بين الهواء والجزء الأكبر من الماء. والآن، تكشف دراسة جديدة تستخدم نهجًا مبتكرًا أن هذه السماكة قصيرة بشكل مدهش، مع ما يترتب على ذلك من آثار على فهمنا لبنية المياه البينية وتفسير التجارب البصرية غير الخطية التي تسبر الواجهات.

تسلك جزيئات الماء سلوكًا مختلفًا عند السطوح البينية مقارنةً بالسائل السائب. فعند الحدود بين الهواء والماء، تُظهر هذه الجزيئات توجهات تفضيلية وترابط هيدروجيني أضعف وديناميكية أبطأ. تنشأ هذه البنية البينية المتميزة من بيئة الترابط الهيدروجيني غير المتماثلة التي تواجهها جزيئات الماء بالقرب من حدود الطور مع الهواء. ومع ذلك، على الرغم من التحقيقات التجريبية والحاسوبية المكثفة، لم يتم قياس مقياس الطول الذي يظل فيه اتجاه جزيئات الماء متباين الخواص مبتعدًا عن السطح البيني - المعروف باسم سمك التباين البيني - بشكل مباشر.

وقد حددت الأعمال السابقة الخصائص ذات الصلة مثل سمك التباين في الكثافة وثابت العزل الكهربائي بحوالي 3-5 أنجستروم (Å). ولكن تتحلل التوجهات الجزيئية واتصال الروابط الهيدروجينية على مقياس طول يعتمد على ارتباطات الاتجاهات خارج الطبقات الجزيئية المفردة. وتتوقع عمليات محاكاة الديناميكيات الجزيئية أن يكون سمك هذا التباين الهيكلي قصير بشكل مدهش عند حوالي 6 Å فقط، مما يشير إلى أن الارتباطات الاتجاهية تمتد على طبقة أو طبقتين جزيئيتين فقط أسفل الواجهة. ومع ذلك، نظرًا لأن عمليات المحاكاة يمكن أن تكون حساسة لتفاصيل حقل القوة، كان التحقق التجريبي المستقل أمرًا بالغ الأهمية.

قامت الآن مجموعة بحثية للدكتور مارتن ثامر في معهد فريتز هابر في ألمانيا بقياس هذا البارامتر الهيكلي المهم مباشرةً باستخدام نهج جديد يجمع بين التحليل الطيفي لمجموع الترددات الاهتزازية المحلولة طوريًا وتوليد الترددات المختلفة (SFG/DFG) مع التخفيف النظائري. ويُعد التحليل الطيفي لمجموع الترددات الاهتزازية وتوليد الترددات المختلفة (SFG/DFG) حساسًا للغاية للتوجهات الجزيئية والروابط الهيدروجينية، مما يجعله مناسبًا تمامًا لسبر البنية البينية. وتتيح تقنية الباحثين تحديد ملامح العمق للإشارات البينية على مقياس دون النانومتر.

في تجاربهم، قاس الفريق بشكل انتقائي امتدادات OD المميزة لجزيئات الماء منزوع اليوترية (D2O) عند الحدود بين الهواء والماء. ومن خلال الحصول على أطياف استجابة SFG وDFG التي تم حلها في نفس الوقت عبر نطاق اهتزاز OD، تمكنوا من فصل الإشارات الصادرة من أعماق مختلفة داخل السطح البيني. وتتمثل الفكرة الرئيسية في أن الاستجابات ثنائية القطب التي تنشأ من أعماق متزايدة تشهد تحولات طورية معاكسة في الطور ل SFG مقابل DFG بسبب خصائص التماسك المتميزة.

ومن خلال النظر في نصف كل استجابة محلولة الطور تحتوي على نفس طور الرنين، قام الباحثون بعزل مساهمة طور الرنين عن أي طور انتشار ناجم عن العمق. ثم، من خلال قياس كل من النظائر المشعة H2O وD2O، تمكنوا من تحليل الاستجابة الكلية إلى مكونات رنانة بحتة وغير رنانة ذات أصول مكانية مختلفة. ومن خلال الفروق في الطور والسعة بين الطور والسعة بين SFG وDFG، تمكنوا في النهاية من استخلاص طول الاضمحلال متباين الخواص.

وقد أسفر فرق الطور بين إشارات SFG وDFG من الاستجابة الرنانة الاهتزازية عن طول اضمحلال قدره 7.7 ± 1.0 Å. علاوة على ذلك، وُجد أن الأطياف المعتمدة على العمق من الدرجة الثانية المحسوبة من محاكاة الديناميكا الجزيئية الابتدائية للواجهة بين الهواء والماء متفقة بشكل ممتاز، حيث تتنبأ بتباين بنيوي يزيد عن 6 Å. وهذا يضع القياس التجريبي وعمليات المحاكاة ضمن طبقة جزيئية واحدة من بعضها البعض.

ومن اللافت للنظر أن الباحثين حصلوا على طول اضمحلال أقصر يبلغ 3.1 ± 0.9 Å من الاستجابة غير الرنانة. وعزوا ذلك إلى أن الإشارات غير الرنانة تحتوي على مساهمة كبيرة من الجزء المتساوي الخواص الناشئة عن حساسيتها للمصادر الكهربائية رباعية الأقطاب بدلاً من ثنائيات الأقطاب البينية فقط. وهذا يشير إلى أن الاستجابة غير الرنانة تسبر تباينًا بنيويًا أقل ضحالة من المساهمة الرنانة.

كان الإجماع من التجربة والمحاكاة لطبقة متباينة الخواص قصيرة بشكل ملحوظ من 6-8Å فقط غير متوقع. وهو يشير إلى أن الارتباطات الاتجاهية لجزيئات الماء تمتد على الأكثر على الطبقات الجزيئية الثلاث الأولى تحت السطح البيني - مما يجعلها أقصر نطاقًا مما هي عليه في الجزء الأكبر من الماء المتساوي الخواص حيث تمتد الارتباطات على عدة أغلفة تناسقية. وتسلط هذه المنطقة متباينة الخواص الرقيقة للغاية الضوء على الدور المهم لكل من الترابط الهيدروجيني المنخفض والمكاسب الإنتروبية في إملاء البنية البينية.

تضع النتائج التي توصل إليها الباحثون قيودًا أساسية على تفسير التقنيات البصرية التي تدرس الواجهات المائية. وعلى وجه الخصوص، تبين أن الاستجابة غير الرنانة ليست مسبارًا انتقائيًا للبيئات متباينة الخواص وتحتوي على إشارات كبيرة متساوية الخواص. وهذا يدعو إلى التشكيك في تحليل التجارب غير الخطية باستخدام القياسات غير الرنانة أو القياسات القائمة على الشدة فقط. وفي الوقت نفسه، وفرت الاستجابة الرنانة الاهتزازية وصولاً مباشرًا إلى التباين الهيكلي مع اتفاق كمي بين التجربة والمحاكاة.

يُظهر العمل بوضوح قوة نهج الباحثين الذي تم حله بعمق لتوصيف البنية البينية النانوية. ومن خلال سبر مسارات متعددة، تمكنوا من فصل المساهمات الرنانة عن المساهمات غير الرنانة واستخراج معلومات هيكلية دقيقة لم يكن من الممكن الوصول إليها من قبل. وتبشّر هذه التقنية بفحص مجموعة متنوعة من الواجهات المائية المهمة بيئيًا وبيولوجيًا وتقنيًا حيث تختلف التوجهات الجزيئية وأنماط الروابط الهيدروجينية عن الجزء الأكبر. كما أنها تسلط الضوء على الحاجة إلى التفسير الدقيق للبيانات البصرية غير الخطية غير الرنانة من هذه الواجهات.

وبشكل عام، تمثل هذه الدراسة علامة فارقة في القياس المباشر لإحدى أهم الخصائص البينية الأساسية للماء التي كانت المحاكاة تتنبأ بها فقط في السابق. ومن خلال التحقق من صحة رؤية المحاكاة للطبقة البينية الرقيقة المتباينة الخواص بشكل لافت للنظر، فإنها توفر تأكيدًا قويًا لفهمنا على المستوى الجزيئي. كما يضع هذا النهج أيضًا معيارًا جديدًا للربط بين التحليل الطيفي الاهتزازي غير الخطي والنمذجة الذرية للاستفادة الكاملة من رؤاهم المشتركة في المادة اللينة والواجهات البيولوجية على المستوى النانوي.

​

المرجع (المراجع)

1. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.12247

انقر على TAGS للاطلاع على المقالات ذات الصلة :

الكيمياء | الفيزياء | الأبحاث