Физики из Университета Оснабрюка подробно изучили отдельные молекулы воды на поверхности кальцита. Их выводы, [опубликованные](https://doi.org/10.1021/acsnano.5c05845) в журнале ACS Nano, важны для защиты климата и окружающей среды.
Кальцит и его роль
Кальцит — один из самых распространённых минералов на Земле, который играет центральную роль в природных и технических процессах. «Понимая, как вода взаимодействует с поверхностью кальцита, мы можем лучше ответить на важные научные и социально значимые вопросы — от защиты климата и [охраны окружающей среды](https://phys.org/tags/environmental+protection/) до разработки новых материалов», — объясняет физик из Оснабрюка доктор Филипп Раэ.
Использование атомно-силовой микроскопии
Используя особо чувствительную технику — атомно-силовую микроскопию высокого разрешения, — исследователи из Оснабрюка смогли визуализировать расположение и ориентацию отдельных молекул воды на поверхности кальцита. Для этого атомно-острый наконечник с одной молекулой моноксида углерода, прикреплённой к его концу, подносят близко к покрытой водой поверхности кальцита.
Сила, действующая на этот наконечник, измеряется с чрезвычайно высокой чувствительностью и разрешением на субатомном уровне. Эти силы отображаются путём сканирования поверхности построчно, создавая изображение атомной структуры.
Два типа молекул воды на поверхности кальцита
«Во время экспериментов с отдельными молекулами воды мы очень рано заметили, что на поверхности кальцита, по-видимому, есть два типа молекул воды. Это было удивительно, поскольку в литературе ранее не наблюдалось различий между этими молекулами воды в закрытом водном слое», — говорит доктор Раэ, в чьей исследовательской группе «Молекулярные квантовые структуры» в Школе физики проводились эксперименты.
Для проведения исследований отдельных молекул воды учёным пришлось разработать специальные протоколы измерений и создать специальный держатель образца.
Структура поверхности кальцита
Доктор Раэ и его команда недавно прояснили структуру поверхности кальцита и идентифицировали реконструкцию поверхности, то есть перестройку атомов в верхнем слое. Эта реконструкция приводит к двум различным позициям, где вода может связываться с поверхностью.
«Поразительно то, что вода нивелирует разницу между этими двумя позициями, она буквально притягивает часть поверхностных атомов», — объясняет доктор Раэ. В сотрудничестве с профессором Адамом Фостером и Цзе Хуанг из Университета Аалто в Финляндии этот процесс был точно понят в текущем исследовании с помощью ab-initio моделирования.
Связывание воды в первой позиции сопровождается лишь минимальными изменениями на поверхности, в то время как во второй позиции поверхностные атомы перемещаются из реконструированной структуры обратно в исходную кристаллическую структуру. Этот процесс вызван одной молекулой воды и требует энергии. Поэтому вода связывается с этими двумя позициями по-разному, хотя локальная геометрия идентична.
Предоставлено Университетом Оснабрюка