Фізики з Технічного університету Відня з’ясували, чому одні заряджені частинки легко прилипають до поверхонь, а інші — ні. Причина криється в тому, як молекули води впорядковуються навколо іона. Навіть короткочасний порядок, що існує мільярдні долі секунди, суттєво змінює поведінку частинок.
Заряджена частинка не рухається сама
Коли заряджена частинка рухається у водному розчині, вона тягне за собою цілу «свиту» молекул. Ці молекули не стоять нерухомо, вони постійно коливаються, перебудовуються, утворюють слабкі зв’язки й розривають їх.
Ступінь цього впорядкування залежить від самого іона. Маленький іон літію сильно організовує воду навколо себе, а великий іон цезію — майже ні.
Що означає впорядкована вода
Ентропія в термодинаміці означає міру безладу: що більший хаос у системі, то вона вища. Коли іон сильно організовує воду навколо себе, він знижує цю міру.
Системи природно еволюціонують у бік більшого хаосу, тому впорядковані стани виникають рідше. Іони, що жорстко структурують водяну оболонку, прилипають до поверхні гірше: приєднання вимагало б ще більшого перебудування цієї оболонки, що термодинамічно невигідно.
Заряд плюс ентропія
До цього вважалося, що головний чинник притягання іона до поверхні — це проста електростатика: протилежні заряди тягнуться один до одного. Дослідники поєднали атомно-силову мікроскопію, молекулярно-динамічне моделювання та спектроскопічні вимірювання.
На основі цих методів вони побудували термодинамічну модель, яка вперше кількісно описує, як іони осідають на поверхні, тобто адсорбуються. Модель враховує одночасно електростатику, ентропію і взаємодію з молекулами води.
Де це важливо
Нова модель дозволяє точніше передбачати, які іони та як будуть поводитися на різних поверхнях. Це має значення для розробки акумуляторів, паливних елементів, електродів, каталізаторів і біологічних мембран.
Робота, опублікована в журналі Science Advances, ще раз спростовує ідею про «пам’ять води», яку досі експлуатують прихильники гомеопатії. Вода справді формує тимчасові структури навколо іонів, але це фізика, а не магічне зберігання інформації.
Джерело: phys.org
