Atividade extraordinária da água interfacial em gotículas de óleo

O comportamento da água nas interfaces hidrofóbicas tem cientistas perplexos por mais de um século, abrangendo química, biologia, ciência de materiais, geologia e engenharia. Descobertas recentes-como a química anômala das microdropletas de água e a eletro-catálise de contato-destaca o papel central da água interfacial.

Um novo estudo publicado em Natureza resolve sistematicamente a estrutura molecular desordenada e os campos eletrostáticos ultra-altos (~ 40-90 mV/cm) em interfaces mesoscópicas de óleo-água, derrubando suposições de livros didáticos sobre a natureza “inerte” de superfícies hidrofóbicas e abertura de novas avenidas para catálise, biomedicina e energia verde.

Durante décadas, a espectroscopia de geração de frequência da soma (SFG) dominou os estudos de água interfacial, mas sofreu de limitações inerentes. Os pesquisadores agora foram pioneiros em uma nova abordagem: integrando a espectroscopia Raman de alta resolução com algoritmos de resolução de curvas multivariados (MCR).

Ao isolar o fundo do solvente e os sinais espectrais correlacionados a solutos (SC) com taxas de sinal / ruído sem precedentes, eles alcançaram as primeiras medições de resolução em nanoescala de camadas interfaciais em emulsões de água óleo.

Suas principais descobertas incluem o seguinte:

• Transtorno estrutural: O ombro característico de oh-stretch a 3250 cm⁻¹-uma marca registrada de redes tetraédricas ligadas a hidrogênio-desapareceu com interfaces de gotículas de óleo, indicando distúrbios estruturais drásticos. As simulações de dinâmica molecular revelaram ~ 25% das moléculas de água interfacial possuem grupos OH não “livres” não “livres”, contradizendo previsões clássicas de “camadas ordenadas por gelo”.

• Campos elétricos extremely -altos: Ao analisar os desvios de ressonância (3575 cm⁻uo) de ligações OH livres, a equipe quantificou campos eletrostáticos interfaciais (40-90 mV/cm), rivalizando com os campos intensos na enzima websites ativos (~ 100 mV/cm). Esses campos se correlacionam diretamente com os potenciais de gotículas: reduzindo ζ de -60 mV a -20 mV diminuíram os desvios para os vermelhos, implicando a distribuição de carga (por exemplo, adsorção de hidróxido ou transferência de carga de água) como mecanismo primário.

• Implicações catalíticas: Os cálculos da teoria do estado de transição mostraram que esses campos reduzem a ativação energia livre por ~ 4,8 kcal/mol, acelerando taxas de reação> 3.000 vezes à temperatura ambiente. Isso fornece uma base mecanicista para a química de microdroplets de água (aprimoramentos da taxa de 10³-10⁶) e explica reações redox livre de catalisadores na eletrocatálise de contato.

A descoberta de interfaces desordenadas e campos elétricos colossais pode transformar o entendimento dos processos biológicos (agregação de proteínas, interações de membrana) e tecnologias, como nanogeneradores triboelétricos, nucleação atmosférica de aerossol, purificação de água e remediação de óleo.

O artigo, intitulado “Estrutura da água e campos elétricos nas interfaces de gotículas de petróleo”, foi o trabalho de uma equipe colaborativa liderada pelo Prof. Wei Min da Universidade de Columbia e pelo Prof. Teresa Head-Gordon, da UC Berkeley. Os autores co-primeiro são o Dr. Lxue Shi e o Dr. Allen Lacour, com contribuições críticas de Naixin Qian, Joseph Heindel, Xiaoqi Lang e Ruoqi Zhao.