Natuurkundigen verklaren eerder onbekend microscopisch mechanisme

Natuurkundigen van de universiteit van Osnabrück hebben individuele watermoleculen op het calcietoppervlak in meer detail onderzocht. Hun bevindingen, gepubliceerd in het dagboek ACS nanozijn relevant voor klimaat- en milieubescherming.

Calciet is een van de meest voorkomende mineralen op aarde en speelt een centrale rol in natuurlijke en technische processen. “Door te begrijpen hoe water interageert met het calcietoppervlak, kunnen we belangrijke wetenschappelijke en sociaal relevante vragen beter beantwoorden – van klimaatbescherming en milieubescherming tot de ontwikkeling van nieuwe materialen”, legt de fysicus van Osnabrück Dr. Philipp Rahe uit.

Met behulp van een bijzonder gevoelige techniek, hoge-resolutie atomaire krachtmicroscopie, zijn de Osnabrück-onderzoekers erin geslaagd de opstelling en de oriëntatie van individuele watermoleculen op het oppervlak van calciet te beelden. Om dit te doen, wordt een atomisch scherpe punt met een enkel koolmonoxidemolecuul bevestigd aan het eindpunt dicht bij het met water bedekte calcietoppervlak gebracht.

De kracht die op deze tip werkt, wordt zeer lokaal veroorzaakt en maakt metingen mogelijk met een extreem hoge gevoeligheid en resolutie op een subatomaire schaal. Deze krachten worden in kaart gebracht door de oppervlaktelijn voor lijn te scannen, waardoor een beeld van de atoomstructuur wordt gecreëerd.

“Tijdens de experimenten met individuele watermoleculen hebben we al heel vroeg waargenomen dat er twee soorten watermoleculen op het calcietoppervlak lijken te zijn. Dit was verbazingwekkend, omdat er geen verschil was tussen deze watermoleculen eerder in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literatuur in de literaturen in de literaturen werden waargenomen, werden de experimenten van de experimenten uitgevoerd.

“We moesten eerst enkele ontwikkelingen uitvoeren in voorlopige experimenten, zoals een speciale monsterhouder en speciale meetprotocollen, om deze onderzoeken van individuele watermoleculen uit te voeren”, voegt Dr. Jonas Heggemann, de eerste auteur van de studie toe.

Dr. Rahe en zijn team hebben onlangs de structuur van het calcietoppervlak verduidelijkt en een oppervlakteconstructie geïdentificeerd, dwz een herschikking van de atomen in de bovenste laag van het oppervlak. Deze reconstructie resulteert in twee verschillende posities waar water aan het oppervlak kan binden.

“Het verbazingwekkende aan dit systeem is dat het water het verschil tussen deze twee posities ophaalt, het trekt letterlijk een deel van de oppervlakteatomen”, legt Dr. Rahe uit. In samenwerking met prof. Adam Foster en Jie Huang van de Universiteit van Aalto in Finland, werd dit proces precies begrepen in de huidige studie met behulp van AB-initio-simulaties.

Terwijl de binding van water op de eerste positie gepaard gaat met slechts een minimale verandering in het oppervlak, bewegen de oppervlakteatomen op de tweede positie van de gereconstrueerde structuur terug naar de oorspronkelijke kristalstructuur. Dit proces wordt veroorzaakt door een enkel watermolecuul en vereist energie. Daarom bindt water zich anders aan deze twee posities, hoewel de lokale geometrie identiek is.