Физики из Технического университета Вены выяснили, почему одни заряженные частицы легко прилипают к поверхностям, а другие — нет. Причина кроется в том, как молекулы воды упорядочиваются вокруг иона. Даже кратковременный порядок, существующий миллиардные доли секунды, существенно меняет поведение частиц.
Заряженная частица не движется сама по себе
Когда заряженная частица движется в водном растворе, она тянет за собой целую «свиту» молекул. Эти молекулы не стоят на месте, они постоянно колеблются, перестраиваются, образуют слабые связи и разрывают их.
Степень этой упорядоченности зависит от самого иона. Маленький ион лития сильно упорядочивает воду вокруг себя, а большой ион цезия — почти не упорядочивает.
Что такое очищенная вода
Энтропия в термодинамике означает степень беспорядка: чем больше хаос в системе, тем она выше. Когда ион сильно упорядочивает воду вокруг себя, он снижает эту степень.
Системы естественным образом эволюционируют в сторону большего хаоса, поэтому упорядоченные состояния возникают реже. Ионы, жестко структурирующие водную оболочку, хуже прилипают к поверхности: присоединение потребовало бы еще большей перестройки этой оболочки, что термодинамически невыгодно.
Заряд плюс энтропия
До этого считалось, что главным фактором притяжения иона к поверхности является простая электростатика: противоположные заряды притягиваются друг к другу. Исследователи объединили атомно-силовую микроскопию, молекулярно-динамическое моделирование и спектроскопические измерения.
На основе этих методов они построили термодинамическую модель, которая впервые количественно описывает, как ионы оседают на поверхности, то есть адсорбируются. Модель учитывает одновременно электростатику, энтропию и взаимодействие с молекулами воды.
Где это важно
Новая модель позволяет точнее предсказывать, какие ионы и как будут вести себя на различных поверхностях. Это имеет значение для разработки аккумуляторов, топливных элементов, электродов, катализаторов и биологических мембран.
Работа, опубликованная в журнале Science Advances, еще раз опровергает идею о «памяти воды», которую до сих пор эксплуатируют сторонники гомеопатии. Вода действительно формирует временные структуры вокруг ионов, но это физика, а не магическое хранение информации.
Источник: phys.org
