Elektronen im Wasser

Wie wichtig sind Elektronen für unsere Zellen? TimeToDo.ch 29.12.2016 (March 2019).

Anonim

Es ist eine beliebte Tradition, Münzen in Springbrunnen zu werfen, in der Hoffnung, dass Wünsche erfüllt werden. Aber was würde passieren, wenn Sie stattdessen Elektronen ins Wasser "werfen" könnten? Was passiert kurz nachdem ein Elektron in Wasser injiziert wurde?

Diese jahrzehntealte Frage hat jetzt eine Antwort, dank eines Artikels, der am 16. Januar in Nature Communications veröffentlicht wurde. Die Studie ist das Ergebnis der Zusammenarbeit von Forschern der Universität von Chicago, dem Argonne des US Department of Energy (DOE) und Lawrence Livermore National Laboratories und der Universität von Kalifornien-San Diego.

Bis jetzt hatten Wissenschaftler technische Herausforderungen, wenn sie die Elektronenaffinität von Wasser experimentell messen wollten, sagte Professor Giulia Galli, Liew Familienprofessor am Institut für Molecular Engineering an der Universität von Chicago und leitender Wissenschaftler in Argonne.

"Die meisten in der Literatur als experimentelle Zahlen zitierten Ergebnisse sind tatsächlich Werte, die durch die Kombination einiger gemessener Mengen mit groben theoretischen Schätzungen erhalten wurden", sagte sie.

Genaue theoretische Messungen waren auf der anderen Seite wegen der Schwierigkeit und der hohen rechnerischen Kosten der direkten Simulation der Interaktionen für einige Zeit unerreichbar, sagte Francesco Paesani, Professor an der University of California in San Diego, ein Co-Autor der Studie hat Jahre damit verbracht, ein genaues Potential für die Modellierung von flüssigem Wasser zu entwickeln.

Das Wechselwirkungspotential zwischen Wassermolekülen, das von Paesani entwickelt wurde, wurde verwendet, um die Struktur sowohl des flüssigen Wassers als auch der Wasseroberfläche zu modellieren. Sobald die Struktur erhalten war, wurden hochgenaue theoretische Methoden und Software zur Untersuchung angeregter Zustände der Materie, die von Gallis Team entwickelt wurden, verwendet, um zu verstehen, was passiert, wenn ein Elektron in Wasser injiziert wird.

Im Grunde suchten die Forscher zu verstehen, ob das Elektron in der Flüssigkeit verweilt und schließlich an chemischen Reaktionen teilnimmt. Die zentrale Frage war: "Verbindet sich die Flüssigkeit sofort mit dem Elektron?"

Die Forscher fanden heraus, dass das Elektron mit dem Wasser bindet; seine Bindungsenergie ist jedoch viel kleiner als bisher angenommen. Dies veranlasste die Forscher, eine Reihe von akzeptierten Daten und Modellen für die Elektronenaffinität von Wasser zu überprüfen.

Galli und ihre Mitarbeiter entwickelten im Laufe der Jahre in Zusammenarbeit mit TA Pham von Lawrence Livermore und Marco Govoni von Argonne, die beide Mitautoren dieser Studie sind, die Methoden für angeregte Zustände, die in dieser Studie verwendet wurden.

"Mithilfe der Software, die entwickelt wurde, um Phänomene des angeregten Zustands in realistischen Systemen (ohne Empty States oder WEST) und der Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) zu untersuchen, konnten wir schließlich Daten für ausreichend große und ausreichend lange Zeiträume generieren studiere die Elektronenaffinität von flüssigem Wasser ", sagte Govoni.

"Wir fanden große Unterschiede zwischen der Affinität an der Oberfläche und in der flüssigen Masse. Wir fanden auch Werte, die sich von den in der Literatur akzeptierten unterscheiden, was uns dazu veranlasste, das vollständige Energiediagramm eines Elektrons in Wasser zu betrachten", fügte Pham hinzu.

Dieser Befund hat wichtige Konsequenzen sowohl für Wissenschaftler, die die Eigenschaften von Wasser grundlegend verstehen wollen, als auch für diejenigen, die Reduktions- / Oxidationsreaktionen in wässrigen Lösungen beschreiben wollen, die in der Chemie und Biologie weit verbreitet sind.

Insbesondere verwenden Wissenschaftler häufig Informationen über die Energieniveaus von Wasser, wenn sie Materialien für photoelektrochemische Zellen abschirmen. Eine zuverlässige Schätzung der Wasserelektronenaffinität (die die Forscher der Studie sowohl für das Oberflächenwasser als auch für dessen Oberfläche lieferten) wird Wissenschaftlern dabei helfen, robustere und zuverlässigere Computerprotokolle zu erstellen und das rechnerische Screening von Materialien zu verbessern.

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