Doğada, büyük veya küçük olsun, sistemlerin davranışı her zaman birkaç temel ilkeye tabidir. Örneğin, nesneler enerjilerini en aza indirdiği için aşağı doğru düşer. Aynı zamanda, düzen ve bozukluk fiziksel süreçleri de şekillendiren temel değişkenlerdir. Sistemler – özellikle de evlerimiz – zamanla giderek daha fazla düzensiz hale gelir. Mikroskopik düzeyde bile, sistemler entropi denilen bir artış olarak bilinen bir fenomen olan artan bozukluğu destekleme eğilimindedir.
Bu iki değişken (enerji ve entropi) kimyasal süreçlerde önemli bir rol oynar. Enerji azaltılabildiğinde veya entropi (bozukluk) arttığında işlemler otomatik olarak meydana gelir.
Standart koşullar altında – bir bardak suda olduğu gibi – su otodissokasyonu her iki faktör tarafından da engellenir, bu da onu oldukça beklenmedik bir olay haline getirir. Bununla birlikte, güçlü elektrik alanları uygulandığında, işlem önemli ölçüde hızlanabilir.
Şimdi, Max Planck Polimer Araştırma Enstitüsü ve Cambridge Üniversitesi Yusuf Hamied Kimya Bölümü’ndeki araştırmacılar, bu kadar yoğun alanlarda su otodisokasyonunu yöneten şaşırtıcı bir mekanizmayı ortaya çıkardılar.
Bulguları, Amerikan Kimya Derneği Dergisibu tepkinin esas olarak enerji hususlarından kaynaklandığı geleneksel görüşüne meydan okumak.
Max Planck Enstitüsü’nün grup lideri Yair Litman, “Su otodissosiyasyonu, enerjik olarak yokuş yukarı ve entropik olarak engellendiği anlaşılan toplu koşullarda kapsamlı bir şekilde incelendi.” “Ancak elektrokimyasal ortamlara özgü güçlü elektrik alanları altında, reaksiyon çok farklı davranıyor.”
Gelişmiş moleküler dinamik simülasyonları kullanan Litman ve ortak yazar Angelos Michaelides, güçlü alanların, reaksiyonu daha enerjik bir şekilde elverişli hale getirerek, ancak entropik olarak elverişli hale getirerek su ayrışmasını önemli ölçüde artırdığını göstermektedir. Elektrik alanı başlangıçta su moleküllerini oldukça yapılandırılmış bir ağa sipariş eder. İyonlar oluştuğunda, bu sırayı bozar, sistemin entropisini – veya bozukluğunu – sonuçta reaksiyonu ileri doğru yönlendirir.
Litman, “Sıfır alanda olanların tam bir tersine çevrilmesi” diye açıklıyor. “Reaksiyona direnmek yerine, şimdi onu teşvik ediyor.”
Çalışma ayrıca, güçlü elektrik alanları altında, su pH’ının nötr (7) ‘dan yüksek asidik seviyelere (3 kadar düşük) düşebileceğini ve elektrokimyasal sistemleri nasıl anladığımız ve tasarladığımızın sonuçları olduğunu göstermektedir.
Michaelides, “Bu sonuçlar yeni bir paradigmaya işaret ediyor” diyor. “Su bölme cihazlarını anlamak ve geliştirmek için sadece enerjiyi değil entropi ve elektrik alanlarının suyun moleküler manzarasını nasıl yeniden şekillendirdiğini düşünmeliyiz.”
Araştırma, sulu ortamlarda önyargı altında reaktivitenin nasıl modellendiğini yeniden düşünme ihtiyacını vurgulamaktadır ve katalizör tasarımı için, özellikle elektrokimyasal ve “su üzerinde” reaksiyonlarda yeni olasılıklar açar.
