یک روش جدید برای نگاه کردن به «درون» ساختار میکروسکوپی آب
توسط دانشگاه توهوکو
ویرایش شده توسط سیدی هارلی، بازبینی توسط رابرت ایگان
آب برای تمام شیمی و حیات ضروری است، اما درک چگونگی تعامل آن با یون‌های حل‌شده — نظیر سدیم و منیزیم — سال‌ها یک چالش علمی بزرگ بوده است.
اکنون تیمی بین‌المللی به رهبری دانشگاه اوپسالا، که شامل ژونگ یِن، استادیار در SRIS دانشگاه توهوکو می‌شود، تکنیک پرتو ایکس جدیدی را توسعه داده است که می‌تواند ساختار الکترونی لایه حلّی—لایه نخست مولکول‌های آب اطراف یک یون در محلول—را به‌صورت مستقیم بررسی کند.
این مطالعه، که در Nature Communications منتشر شد، اولین مشاهده یک فرایند به نام تجزیه تابشی میان‌مولکولی (IRD) در مایعات را گزارش می‌کند.
در این پدیده، هنگامی که یون در آب با پرتوهای ایکس یونیزه می‌شود، الکترونی از یک مولکول آب نزدیک، خلأ لایه داخلی یون را پر می‌کند و انرژی آزادشده به‌صورت فوتون ایکس منتشر می‌شود. این فوتون منتشر شده اثر انگشت واضحی از محیط فوری یون بر‌جا می‌گذارد—به‌طور مؤثری به پژوهشگران امکان می‌دهد تا لایه حلّی را «از درون» بررسی کنند.
«لایه حلّی تعیین می‌کند که یون‌ها در آب چگونه رفتار می‌کنند و از عملکرد بیولوژیکی تا خوردگی و شیمی باتری را تحت تأثیر قرار می‌دهد»، می‌گوید نویسنده ارشد، یوهان سودرسترم. «کشف ما نشان می‌دهد که اکنون پرتوهای ایکس می‌توانند ساختار الکترونی این ناحیه مهم سطحی را به‌طور مستقیم آشکار کنند.»
با استفاده از تابش سینکروترون در آزمایشگاه MAX IV در لوند، سوئد، تیم به بررسی محلول‌های آب حاوی یون‌های سدیم و منیزیم پرداخته است. با تجزیه و تحلیل فوتون‌های ایکس منتشر شده، آن‌ها امضای طیفی متمایزی که از مولکول‌های آب همسایه ناشی می‌شود شناسایی کردند—دلیل واضحی برای فرایند تازه کشف شده IRD.
مدل‌سازی نظری نیز تأیید کرد که IRD از هیبریداسیون نرم اوربیتال بین یون و مولکول‌های آب اطراف ناشی می‌شود. به‌طور شگفت‌انگیزی، این فرایند فقط به لایه حلّی نخست حساس است، که IRD را به‌عنوان یک حسگر منحصراً انتخابی برای بررسی محیط‌های شیمیایی موضعی در مایعات متمایز می‌کند.
«این خواهر تابشی تجزیه کولومبی میان‌مولکولی شناخته‌شده است»، توضیح می‌دهد نویسنده ارشد، اولِ بویرنهولم. «اما برخلاف روش‌های مبتنی بر الکترون، IRD فوتون‌های ایکس منتشر می‌کند که می‌توانند از اعماق مایع خارج شوند و به ما امکان می‌دهند تا ویژگی‌های کلی محلول را بررسی کنیم.»
«ICD یک کانال تجزیه غیرمحلی شناخته‌شده و منبع مهم الکترون‌های آهسته است که به‌دلیل توانایی آن‌ها در ایجاد شکست‌پوش‌های DNA جالب توجه هستند. ما کنجکاو بودیم که آیا فرایندی مشابه برای فوتون‌ها وجود دارد یا خیر»، می‌گوید ژونگ یِن.
فراتر از سدیم و منیزیم، پژوهشگران نشان دادند که IRD در سایر سامانه‌ها، از جمله یون‌های فلزات انتقالی و آنیون‌ها نیز قابل مشاهده است، که نشان می‌دهد این پدیده عمومی است و می‌تواند برای مطالعه شیمی آبزی و زیستی تحول‌آفرین باشد.
این کشف راه را برای مطالعات عنصر-و-محل‌مند ساختار حلّی، پیوندهای شیمیایی و دینامیک‌های فوق‌سریع در مایعات با استفاده از منابع پیشرفته سینکروترون و لیزرهای الکترون آزاد هموار می‌کند.
اطلاعات بیشتر: یوهان سودرسترم و همکاران، تجزیه تابشی میان‌مولکولی یکسار غیرمحلی ایکس‌ری برای بررسی لایه حلّی یون‌ها در آب، Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65581-7
اطلاعات مجله: Nature Communications
ارائه شده توسط دانشگاه توهوکو
مرجع: یک روش جدید برای نگاه کردن به «درون» ساختار میکروسکوپی آب (2025، ۱۹ نوامبر) بازیابی شده در ۲۱ نوامبر ۲۰۲۵ از https://phys.org/news/2025-11-microscopic.html
این سند تحت حق تکثیر قرار دارد. به‌جز موارد استفاده منصفانه برای مطالعه یا تحقیق خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوای این سند فقط برای مقاصد اطلاع‌رسانی ارائه شده است.