Австрийские физики изучили, как на молекулярном уровне происходит процесс адсорбции воды на поверхность оксида железа Fe₃O₄, и обнаружили, что вода при этом чаще всего собирается в виде димеров и тримеров, в которых одна из молекул находится в форме гидроксид-иона. При дальнейшей адсорбции эти агрегаты формируют упорядоченные сетки с помощью водородных связей, пишут ученые в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Адсорбция воды на поверхность материалов — один из тех процессов, постоянно происходящих вокруг нас, важность которых при этом недооценивают на бытовом уровне. Именно адсорбция становится одной из важных стадий растворения химических веществ, коррозии конструкционных материалов или эрозии горных пород. Легче всего вода из воздуха адсорбируется на гидрофильные (например оксидные) поверхности — сначала по одной молекуле, а затем — образуя тонкую смачивающую пленку. Известно, что на молекулярном уровне процесс дальнейшего взаимодействия воды с поверхностью определяется силами связи (в первую очередь водородной) осаждающихся молекул воды с поверхностью и между собой. Однако, из-за сложности системы детально описать процесс формирования молекулярной пленки на поверхности оксидов и других материалов не удавалось ни теоретически, ни экспериментально.

Чтобы лучше понять, по каким именно механизмам вода осаждается на поверхность оксидов металлов, австрийские физики под руководством Гарета Паркинсона (Gareth S. Parkinson) из Венского технического университета с помощью современных микроскопических методов и теоретического анализа исследовали процесс адсорбции молекул воды на поверхность магнетита Fe₃O₄. Чтобы определить, в каком состоянии молекулы воды адсорбируются на поверхность магнетита, ученые проводили эксперимент в вакууме при температуре жидкого азота (−196 градусов Цельсия) и следили за материалом с помощью сканирующего туннельного микроскопа, к кончику иголки которого была присоединена молекула угарного газа.

M. Meier et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Ученые обнаружили, что на поверхность магнетита молекулы воды адсорбируются в нескольких видах: либо в виде отдельных молекул, либо в виде димеров или более протяженных цепочек. После этого поверхность медленно нагревали до −30 градусов Цельсия, в результате чего все молекулы отрывались от поверхности. Оценив количество десорбированных молекул при каждой температуре, физики смогли изучить определить, при каких температурах наиболее вероятно разрушение каждого состояния.

Изображение поверхности магнетита с адсорбированными молекулами воды, полученное с помощью сканирующей туннельной микроскопии. M. Meier et al./ Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018

Полученные экспериментальные данные ученые использовали для теоретического моделирования этой системы методом теории функционала плотности. Оказалось, что наиболее устойчивая конфигурация агрегатов адсорбированной воды — димеры, образованные из молекулы воды и гидроксид-иона. Вторым по устойчивости стал тример, состоящий из двух молекул воды и гидроксид-иона. Эти результаты — и количество молекул в агрегатах, и их частичная диссоциация — полностью подтверждают экспериментальные данные, полученные с помощью сканирующей микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Также ученым удалось установить, что при дальнейшей адсорбции эти димеры и тримеры за счет образования водородных связей могут собираться в упорядоченные двумерные решетки.

Авторы работы отмечают, что доказать устойчивость димеров и тримеров, одна из молекул воды в которых находится продиссоциировавшем состоянии, удалось впервые. Предыдущие исследования позволяли говорить об этом только по косвенным данным. При этом, по словам ученых, результаты, полученные при низких температурах, могут быть перенесены и на более реалистичные условия. Кроме того, вероятнее всего, подобные структуры образуются при адсорбции небольшого количества воды на многие оксидные поверхности, не только оксид железа. Физики отмечают, что полученные данные в дальнейшем могут быть использованы, например, при разработке более эффективных катализаторов.

Адсорбированные на оксидные поверхности молекулы воды иногда могут вести себя довольно причудливым образом. Например, в одном из своих предыдущих исследований та же группа ученых обнаружила, что при адсорбции на поверхность перовскитного материала на основе оксидов стронция и рутения молекула воды диссоциирует, но таким образом, что между атомом кислорода и водорода сохраняется слабая водородная связь. А из-за этого молекула начинает вращаться вокруг точки прикрепления.

Автор: Александр Дубов