Физики раскрыли неизвестный механизм взаимодействия воды с кальцитом

Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c05845

Физики из Университета Оснабрюка детально изучили взаимодействие отдельных молекул воды с поверхностью кальцита. Их исследование, опубликованное в журнале ACS Nano, имеет значение для климатической и экологической защиты.

Кальцит — один из самых распространённых минералов на Земле, играющий ключевую роль в природных и технологических процессах. «Понимание того, как вода взаимодействует с поверхностью кальцита, помогает отвечать на важные научные и социально значимые вопросы — от защиты климата до разработки новых материалов», — объясняет доктор Филипп Рахе, физик из Оснабрюка.

Используя высокочувствительную атомно-силовую микроскопию, учёные смогли визуализировать расположение и ориентацию отдельных молекул воды на поверхности кальцита. Для этого использовался атомарно острый зонд с молекулой угарного газа на конце, который приближали к поверхности, покрытой водой.

«Во время экспериментов мы заметили, что на поверхности кальцита существуют два типа молекул воды. Это удивительно, поскольку ранее в научной литературе не описывалось различий между ними в замкнутом водном слое», — говорит доктор Рахе, руководивший исследованиями в своей группе «Молекулярные квантовые структуры».

Доктор Филипп Рахе (слева) и доктор Йонас Хеггеманн перед сканирующим зондовым микроскопом. Автор: Вивьен Вент

Ранее команда доктора Рахе выявила реконструкцию поверхности кальцита — перестройку атомов в верхнем слое. Это привело к двум разным позициям, где вода может связываться с поверхностью.

«Удивительно, что вода нивелирует разницу между этими позициями — она буквально «тянет» часть поверхностных атомов», — поясняет Рахе. В сотрудничестве с профессором Адамом Фостером и Цзе Хуаном из Университета Аалто (Финляндия) этот процесс был детально смоделирован с помощью ab-initio расчётов.

Если в первой позиции связывание воды почти не меняет поверхность, то во второй атомы возвращаются к исходной кристаллической структуре. Этот процесс требует энергии и объясняет разницу в связывании воды, несмотря на идентичную локальную геометрию.

Подробнее: Jonas Heggemann et al, Sidestepping Intermolecular Hydrogen Bonds: How Single Water Molecules Adsorb and Assemble on the Calcite(104)–(2 × 1) Surface, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c05845