空氣-水界面上的意外發現

海洋酸化、哺乳動物呼吸和氣溶膠形成均依賴於發生在空氣-水界面上的化學反應。在最新的研究中，來自美國能源部洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的科學家們發現了二氧化碳（CO2）分子從大氣進入水中的途徑——這條途徑並不是他們預期的那樣。

海洋吸收了大約30%的人工CO2排放量。在水中，CO2形成碳酸，改變海洋環境，對某些海洋生物造成危害。在我們的身體中，經過濕潤膜的空氣影響著我們鼻道內的血液pH值。但具體的局部化學變化取決於溶解的CO2如何在液體表面分解為帶有不同電荷的兩種離子——雙電荷的碳酸根和單電荷的重碳酸根。現在，伯克利實驗室的研究人員顯示，空氣-水界面處碳酸根的濃度增強，而他們原本預期會發現更多的重碳酸根。

這一發現可能對理解海洋酸化過程及其對生態系統的影響具有重要意義，並為未來開展相關領域的研究提供了新的視角。通過揭示在空氣-水界面上碳酸根的增強濃度，科學家們可以更好地理解CO2對水體化學和生物系統的影響以及相應的環境變化。

在液體-空氣界面上發生的化學過程往往與相應的整體液體中進行的過程截然不同。傳統的教科書理論表明，碳酸根應該停留在液體內部，而重碳酸根應該集中在表面；然而，對這兩種離子的通路的詳細理解仍然不清楚。由於溶液的表面僅佔其總體積的一小部分，測量那裡的離子濃度變得困難。

“信號不僅非常微弱，而且需要從系統的更大體積響應中分離出來，”這項工作的負責人、加州大學伯克利分校化學系教授Richard Saykally解釋道。Saykally是伯克利實驗室化學科學部的退休高級教職科學家。

Saykally和他的同事們使用了專門設計的工具來測量液體表面的微弱化學信號。這種技術稱為深紫外次諧波產生光譜學（DUV-SHG），能夠直接探測液體界面上的離子。“我們現在可以測量碳酸根和重碳酸根的相對表面分佈，以及有關其表面親和力的熱力學信息，”伯克利實驗室的博士後研究員、該研究的主要作者Shane Devlin表示。研究團隊發現，碳酸根對表面的附著趨勢遠強於重碳酸根。

這一研究結果不僅為理解液體-空氣界面上的化學反應提供了新的視角，還可能對海洋酸化及其對生態系統的影響有進一步的啟示。測量和理解這些界面上的化學過程對於環境科學和材料科學都具有重要意義。

為了解釋這一極其意外的行為，研究人員轉向了理論工具。聖地亞哥加州大學的Tod Pascal及其同事們進行了計算機模擬，以了解碳酸根和重碳酸根離子如何形成簇，這一過程可能是造成它們在表面和整體液體中濃度不同的原因。他們發現，雖然對於碳酸根來說，聚集是一個有利的過程，但對於重碳酸根卻不是。

為了進一步解釋光譜觀察結果，Qian及其團隊使用位於伯克利實驗室的國家能源研究科學計算中心（NERSC）的Perlmutter系統進行了模擬。他們開發了一種方法，使得能夠計算碳酸根和重碳酸根在液-氣界面的大區域內的光譜指紋。模擬確認了碳酸根確實對空氣-水界面表現出更強的偏好。這一結果源於碳酸根與鈉離子之間的強配對，導致中性粒子簇形成，然後這些簇變得受吸引於表面。

這些發現不僅解釋了化學過程中碳酸根和重碳酸根的行為差異，還為理解在海洋酸化、氣溶膠形成和其他重要環境過程中二氧化碳的影響提供了新的見解。研究人員的工作為未來的研究提供了基礎，揭示了在複雜的空氣-水界面上的化學反應如何影響整體系統的行為。

“這是我們的計算方法首次在現實應用環境中使用，研究約有一千個原子的空氣-液體界面，”Qian說。

儘管這一測量結果令人驚訝，但它可能具有深遠的影響。海洋表面是空氣與水混合的地方，導致氣溶膠水滴的形成，而這在全球氣候和大氣模式中扮演著重要角色。隨著大氣中的二氧化碳水平持續上升，碳酸根和重碳酸根陰離子在表面的比例可能會改變，這反過來將影響海洋氣溶膠水滴的化學性質。了解氣溶膠中碳酸根濃度增加的潛在影響對於預測氣候變化的科學家來說十分重要。

此外，重碳酸根是一種相對溫和的離子，可以作為生理緩衝劑，幫助我們的血液和組織維持適當的化學平衡和代謝功能。相比之下，碳酸的強度太大，無法作為緩衝劑。理解這些平衡如何變化可能對於全面描述哺乳動物的呼吸過程具有重要意義。

“這些物種和過程的界面行為直接影響地球物理和生物循環。這項研究的發現將激勵未來針對海洋生態後果的研究，”Saykally指出。

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📢 部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊—立即聯繫我們！

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