Как пишет Nature Communications, команда под руководством доктора Марсело Лосада-Идальго из Национального института графена (NGI) использовала графен в качестве электрода для измерения как электрической силы, приложенной к молекулам воды, так и скорости, с которой они разрушаются в ответ на такое усилие. Исследователи обнаружили, что вода разрушается экспоненциально быстрее в ответ на более сильные электрические силы.

Исследователи полагают, что это фундаментальное понимание межфазной воды может быть использовано для разработки более совершенных катализаторов для получения водородного топлива из воды. Это важная часть стратегии Великобритании по достижению чистой нулевой экономики. Доктор Марсело Лосада-Идальго сказал: "Мы надеемся, что результаты этой работы будут полезны различным сообществам, включая физику, катализ и межфазные науки, и что это может помочь разработать лучшие катализаторы для производства экологически чистого водорода".

Молекула воды состоит из протона и гидроксид-иона. Его диссоциация включает в себя растягивание этих двух составляющих ионов друг от друга с помощью электрической силы. В принципе, чем сильнее вы растягиваете молекулу воды на части, тем быстрее она должна разрушаться. Этот важный момент не был продемонстрирован количественно в экспериментах.

Хорошо известно, что электрические силы разрушают молекулы воды, но более сильные силы не всегда приводят к более быстрой диссоциации воды, что долгое время озадачивало ученых. Ключевое отличие от графеновых электродов заключается в том, что они проницаемы только для протонов. Исследователи обнаружили, что это позволяет отделить полученный протон от гидроксид-иона через графен, который представляет собой барьер толщиной в один атом, предотвращающий их рекомбинацию. Это разделение зарядов необходимо для наблюдения ускорения диссоциации воды электрическим полем. Другим ключевым преимуществом графена является то, что он позволяет экспериментально оценить электрическое поле на границе раздела графен-вода, что позволяет количественно охарактеризовать полевой эффект.

Результаты могут быть объяснены с использованием классической теории Онзагера, которая осталась непроверенной экспериментально в важном случае с водой. Чжунхао Цай, аспирант и соавтор работы, сказал: "Мы были удивлены, обнаружив, насколько хорошо теория Онсагера соответствует нашим данным. Эта теория дает представление о межфазной воде, включая независимую оценку ее диэлектрической проницаемости, которая остается малоизученной".

Авторы в восторге от возможностей, предлагаемых их экспериментальной установкой. Эоин Гриффин, аспирант и соавтор работы, сказал: "Графеновые электроды сочетают в себе три свойства, которые, насколько нам известно, никогда не встречаются вместе в одной системе: через кристалл проникают только протоны, он имеет толщину в один атом и может выдерживать очень сильное электрическое силы. Эта комбинация позволяет нам по существу разделить первый слой молекул воды на поверхности графена".