पानी के हवादार इंटरफेस की मोटाई मापना
वायु-जल इंटरफेस प्रकृति में सबसे प्रचलित सीमाओं में से एक है और कई प्राकृतिक और औद्योगिक प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। फिर भी दशकों के शोध के बावजूद, वैज्ञानिकों ने कभी भी इंटरफेस के सबसे मौलिक गुणों में से एक को सीधे नहीं मापा है - हवा और पानी के थोक के बीच की सीमा पर अनिसोट्रोपिक जल अणुओं की परत कितनी मोटी है। अब, एक अभिनव दृष्टिकोण का उपयोग करते हुए एक नए अध्ययन से पता चलता है कि यह मोटाई आश्चर्यजनक रूप से कम है, जो इंटरफेसियल जल संरचना की हमारी समझ और इंटरफेस की जांच करने वाले गैर-रेखीय ऑप्टिकल प्रयोगों की व्याख्या के लिए निहितार्थ है।
पानी के अणु थोक तरल की तुलना में इंटरफेस पर अलग तरह से व्यवहार करते हैं। हवा-पानी की सीमा पर, वे अधिमान्य अभिविन्यास, कमज़ोर हाइड्रोजन बॉन्डिंग और धीमी गतिशीलता प्रदर्शित करते हैं। यह विशिष्ट अंतरापृष्ठीय संरचना असममित हाइड्रोजन बॉन्डिंग वातावरण से उत्पन्न होती है जो पानी के अणु हवा के साथ चरण सीमा के पास अनुभव करते हैं। हालाँकि, व्यापक प्रयोगात्मक और कम्प्यूटेशनल जाँच के बावजूद, वह लंबाई पैमाना जिस पर पानी के अणुओं का अभिविन्यास इंटरफ़ेस से दूर जाते समय अनिसोट्रोपिक रहता है - जिसे संरचनात्मक अनिसोट्रोपी की मोटाई के रूप में जाना जाता है - को कभी भी सीधे मापा नहीं गया है।
पिछले शोध में घनत्व और परावैद्युत स्थिरांक में विषमता की मोटाई जैसे संबंधित गुणों को लगभग 3-5 एंगस्ट्रॉम (Å) निर्धारित किया गया है। लेकिन आणविक अभिविन्यास और हाइड्रोजन बॉन्डिंग कनेक्टिविटी लंबाई के पैमाने पर घटती है जो एकल आणविक परतों से परे अभिविन्यास सहसंबंधों पर निर्भर करती है। आणविक गतिशीलता सिमुलेशन इस संरचनात्मक विषमता मोटाई को आश्चर्यजनक रूप से केवल 6Å के आसपास कम होने का अनुमान लगाते हैं, जो सुझाव देता है कि अभिविन्यास सहसंबंध इंटरफ़ेस के नीचे केवल 1-2 आणविक परतों तक फैले हुए हैं। हालाँकि, चूँकि सिमुलेशन बल क्षेत्र के विवरण के प्रति संवेदनशील हो सकते हैं, इसलिए स्वतंत्र प्रयोगात्मक सत्यापन महत्वपूर्ण था।
जर्मनी में फ्रिट्ज़ हैबर इंस्टीट्यूट में डॉ. मार्टिन थेमर के शोध समूह ने अब चरण-समाधान कंपन योग और अंतर आवृत्ति उत्पादन (एसएफजी/डीएफजी) स्पेक्ट्रोस्कोपी को आइसोटोपिक कमजोर पड़ने के साथ संयोजित करने वाले एक नए दृष्टिकोण का उपयोग करके इस महत्वपूर्ण संरचनात्मक पैरामीटर को सीधे मापा है। एसएफजी/डीएफजी स्पेक्ट्रोस्कोपी आणविक अभिविन्यास और हाइड्रोजन बॉन्डिंग के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है, जो इसे इंटरफेसियल संरचना की जांच के लिए उपयुक्त बनाता है। और शोधकर्ताओं की तकनीक उप-नैनोमीटर पैमाने पर इंटरफेसियल संकेतों की गहराई से प्रोफाइलिंग को सक्षम बनाती है।
अपने प्रयोगों में, टीम ने वायु-जल सीमा पर ड्यूटेरेटेड जल (D2O) अणुओं के सिग्नेचर OD स्ट्रेच को चुनिंदा रूप से मापा। OD कंपन बैंड में एक साथ चरण-समाधान SFG और DFG प्रतिक्रिया स्पेक्ट्रा प्राप्त करके, वे इंटरफ़ेस के भीतर विभिन्न गहराई से उत्पन्न होने वाले संकेतों को अलग कर सकते हैं। मुख्य अंतर्दृष्टि यह है कि बढ़ती गहराई से उत्पन्न होने वाली द्विध्रुवीय प्रतिक्रियाएँ अपने अलग-अलग सुसंगति गुणों के कारण SFG बनाम DFG के लिए विपरीत चरण बदलाव का अनुभव करती हैं।
प्रत्येक चरण-समाधान प्रतिक्रिया के आधे भाग पर विचार करके जिसमें एक ही अनुनाद चरण होता है, शोधकर्ताओं ने किसी भी गहराई-प्रेरित प्रसार चरण से अनुनाद चरण योगदान को अलग कर दिया। फिर, दोनों समस्थानिकों H2O और D2O को मापकर, वे समग्र प्रतिक्रिया को अलग-अलग स्थानिक उत्पत्ति वाले विशुद्ध रूप से अनुनाद और गैर-अनुनाद घटकों में विघटित कर सकते थे। SFG और DFG के बीच चरण और आयाम अंतर से, वे अंततः अनिसोट्रोपिक क्षय लंबाई निकालने में सक्षम थे।
कंपन अनुनाद प्रतिक्रिया से SFG और DFG संकेतों के बीच चरण अंतर ने 7.7 ± 1.0 Å की क्षय लंबाई उत्पन्न की। इसके अलावा, वायु-जल इंटरफेस के एब इनिटियो आणविक गतिशीलता सिमुलेशन से गणना की गई गहराई-निर्भर द्वितीय-क्रम स्पेक्ट्रा 6Å से अधिक संरचनात्मक अनिसोट्रॉपी की भविष्यवाणी करते हुए उत्कृष्ट समझौते में पाए गए। यह प्रयोगात्मक माप और सिमुलेशन को एक दूसरे की एकल आणविक परत के भीतर रखता है।
आश्चर्यजनक रूप से, शोधकर्ताओं ने गैर-अनुनाद प्रतिक्रिया से 3.1 ± 0.9 Å की एक छोटी क्षय लंबाई प्राप्त की। उन्होंने इसका श्रेय गैर-अनुनाद संकेतों को दिया, जिसमें आइसोट्रोपिक बल्क का बड़ा योगदान था, जो केवल इंटरफेशियल डिपोल के बजाय इलेक्ट्रिक क्वाड्रुपोलर स्रोतों के प्रति इसकी संवेदनशीलता के कारण उत्पन्न हुआ। इससे पता चलता है कि गैर-अनुनाद प्रतिक्रिया अनुनाद योगदान की तुलना में एक उथली संरचनात्मक विषमता की जांच करती है।
प्रयोग और सिमुलेशन से मात्र 6-8Å की उल्लेखनीय रूप से छोटी अनिसोट्रोपिक परत की सर्वसम्मति अप्रत्याशित थी। यह इंगित करता है कि जल अणुओं के अभिविन्यास सहसंबंध, अधिकतम, इंटरफेस के नीचे पहली तीन आणविक परतों तक फैले हुए हैं - जो उन्हें आइसोट्रोपिक जल बल्क की तुलना में और भी कम दूरी का बनाता है, जहां सहसंबंध कई समन्वय कोशों में फैले हुए हैं। यह अति-पतला अनिसोट्रोपिक क्षेत्र, इंटरफेसियल संरचना को निर्धारित करने में कम हाइड्रोजन बॉन्डिंग कनेक्टिविटी और एंट्रोपिक लाभ दोनों की महत्वपूर्ण भूमिका को उजागर करता है।
शोधकर्ताओं के निष्कर्षों ने जलीय इंटरफेस का अध्ययन करने वाली ऑप्टिकल तकनीकों की व्याख्या पर मौलिक प्रतिबंध लगा दिए हैं। विशेष रूप से, गैर-अनुनाद प्रतिक्रिया को अनिसोट्रोपिक वातावरण की चयनात्मक जांच नहीं माना गया और इसमें बड़े आइसोट्रोपिक बल्क सिग्नल शामिल थे। यह गैर-अनुनाद या तीव्रता-आधारित मापों का उपयोग करके केवल गैर-रेखीय प्रयोगों के विश्लेषण पर सवाल उठाता है। इस बीच, कंपन अनुनाद प्रतिक्रिया ने प्रयोग और सिमुलेशन के बीच मात्रात्मक समझौते के साथ संरचनात्मक अनिसोट्रोपी तक सीधी पहुंच प्रदान की।
यह कार्य नैनोस्केल इंटरफेसियल संरचना की विशेषता के लिए शोधकर्ताओं के गहराई से हल किए गए दृष्टिकोण की शक्ति को स्पष्ट रूप से प्रदर्शित करता है। कई मार्गों की जांच करके, वे अनुनाद को गैर-अनुनाद योगदान से अलग कर सकते हैं और सटीक संरचनात्मक जानकारी निकाल सकते हैं जो पहले सुलभ नहीं थी। यह तकनीक पर्यावरणीय, जैविक और तकनीकी रूप से महत्वपूर्ण जलीय इंटरफेस की विविधता की जांच करने का वादा करती है जहां आणविक अभिविन्यास और हाइड्रोजन बॉन्डिंग पैटर्न थोक से भिन्न होते हैं। यह ऐसे इंटरफेस से गैर-अनुनाद गैर-रेखीय ऑप्टिकल डेटा की सावधानीपूर्वक व्याख्या की आवश्यकता पर भी प्रकाश डालता है।
कुल मिलाकर, यह अध्ययन पानी के सबसे मौलिक अंतरापृष्ठीय गुणों में से एक को सीधे मापने में एक मील का पत्थर साबित होता है, जिसकी पहले सिमुलेशन द्वारा केवल भविष्यवाणी की गई थी। इंटरफ़ेस की आश्चर्यजनक रूप से पतली अनिसोट्रोपिक परत के सिमुलेशन के दृष्टिकोण को मान्य करके, यह हमारी आणविक-स्तर की समझ की शक्तिशाली पुष्टि प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण नैनोस्केल पर नरम पदार्थ और जैविक इंटरफेस में उनकी संयुक्त अंतर्दृष्टि का पूरी तरह से लाभ उठाने के लिए परमाणु मॉडलिंग के साथ गैर-रेखीय कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी को जोड़ने के लिए एक नया मानक भी स्थापित करता है।
संदर्भ
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