Toppe af vandige bølger kan transportere vitale kemikalier i industriel separationsproces

Olie og vand blandes ikke. Grænsefladen mellem de to væsker er en byggesten i den mest udbredte industrielle proces til at rense kemikalier i energiproduktion (fra atomenergi til biobrændstoffer) og lagring (batterier). En nylig opdagelse kan låse op for mekanismer, der transporterer molekyler over grænsen mellem olie og vand. Simuleringer og analyser afslører en meget forskelligartet og dynamisk struktur ved grænsefladen. Faktisk, toppene af små bølger af vand ind i oliefasen får vand til at opføre sig, som om det er en gas – hvilket potentielt letter transporten af ​​kemikalier fra vand til olie.

At udvinde et kemikalie fra vand og flytte det til en olie (opløsningsmiddelekstraktion) er en moden teknologi. Imidlertid, opløsningsmiddelekstraktion har ikke oplevet større fremskridt i mange årtier. Molekylerne ved grænsefladen er gatekeeperne. At vide, hvordan disse molekyler organiserer sig og bevæger sig, er det første skridt mod at designe grænseflader, der præcist styrer transport og reaktivitet. Dette arbejde er analogt med skræddersyede solid:liquid-grænsefladeteknologier, der har revolutioneret applikationer inden for katalyse. Solid:Liquid-grænseflader har også ændret materialesyntese og videnskab.

Årtiers forskning har empirisk vist optimale betingelser for en række forskellige separationsapplikationer, gør brug af specifikke kombinationer af opløsningsmidler, kemiske ekstraktionsmolekyler, og pH for en vellykket proces. Alligevel er grænsefladens væsentlige rolle forblevet uhåndgribelig, til dels fordi selv avancerede simuleringer af molekylær dynamik har fokuseret på dens gennemsnitlige adfærd. Nye dataanalytiske tilgange til simuleringsdata (udviklet ved Washington State University og kørt på Oak Ridge Leadership Computing Facility) har kvantificeret heterogeniteten af ​​toppene og dalene af overfladekapillærbølgerne - hvilket afslører ekstreme forskelle i opførsel af opløsningsmidler, når de kører på bølge i tiden. Bølgetoppene er karakteriseret ved fremspring, hvor vand opfører sig, som om det er en damp (mindre hydrogenbinding, langsommere vandrotationsdynamik) - et træk, der øges ved tilstedeværelse af opløste stoffer og kan forklare vandudvinding i den organiske fase, en godt observeret adfærd under mange forhold.