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世界上最干净的水滴

在自然界中没有真正干净的表面。与普通空气接触足以用薄层分子涂覆任何材料。这种“分子污垢”可以显着改变材料的性质,但分子本身很难研究。有人推测这种“污垢”只是一层水分子。为了测试这个想法,TU Wien开发了一种新的研究方法:通过在真空室中制造超纯冰,然后将其熔化,研究人员可以制造出世界上最干净的水滴,然后将其应用于二氧化钛表面。

通过这种方法,研究人员已经证明,改变二氧化钛表面性质的“污垢”是两个有机酸的单分子厚层:乙酸(使醋变酸)和它的近亲,甲酸。这是令人惊讶的,因为在空气中仅发现微量痕量的这些酸。这些结果和新方法的细节最近发表在“科学”杂志上。

原因不明的结构

二氧化钛(TiO2)是一种丰富的矿物质,在包括自清洁表面在内的广泛技术应用中发挥着重要作用。例如,薄薄的二氧化钛层可防止镜子在潮湿空气中起雾。使用非常强大的显微镜,世界各地的研究人员观察到一种未知分子在与水接触时附着在二氧化钛表面上。

已经提出这样的想法:这些分子是新型的水冰或者可能是由空气中的二氧化碳形成的苏打水。正确答案更有趣:正如研究小组发现的那样,这些结构实际上是两种有机酸,即乙酸和甲酸。这些酸是植物生长的副产物。值得注意的是,空气中只有微量痕量的这些酸 - 每十亿个空气分子中含有少量酸分子。虽然许多其他分子在空气中更常见,但正是这两种酸粘附在金属氧化物表面并改变其行为。

真空中的超纯水

“为了避免杂质,这些实验必须在真空中进行,”Ulrike Diebold说。“因此,我们不得不制造一种从未与空气接触的水滴,然后将水滴放在经过严格清理到原子尺度的二氧化钛表面上。”这一任务因事实而变得更加困难无论温度如何,水滴都会在真空中迅速蒸发。

研究人员想出了一种巧妙的新调查方法。他们的解决方案是在他们的真空中制造一个“冰冷的手指”。将该金属指状物的尖端冷却至约-140℃,然后使超纯水蒸气流入该腔室。水冷在冰冷的手指上,产生一个小的,超洁净的冰柱。然后将二氧化钛样品置于手指下方。当冰柱融化时,超纯水会滴到样品上。

有机酸是罪魁祸首

然后使用高倍显微镜研究表面,但科学家们没有看到使用超纯水的未知分子痕迹。即使他们用二氧化碳制造苏打水,也没有找到奇怪的“污垢层”。这意味着分子必须来自水或二氧化碳以外的其他物质。

只有当样品与空气接触时才会出现奇怪的分子。有趣的是,在世界不同地区 - 维也纳城市和美国农村地区也观察到了相同的分子。化学分析表明它们是通常由植物产生的简单有机酸。

“这一结果向我们展示了在进行此类实验时我们需要多么谨慎,”Ulrike Diebold说。“即使是微小的痕迹,实际上可能被认为是微不足道的,有时也是决定性的。”

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