Brug af lasere til at visualisere molekylære mysterier i vores atmosfære

Usynlig for det menneskelige øje, molekylære interaktioner mellem gasser og væsker understøtter meget af vores liv, inklusive absorption af iltmolekyler i vores lunger, mange industrielle processer og omdannelsen af ​​organiske forbindelser i vores atmosfære. Men vanskeligheder med at måle gas-væske kollisioner har hidtil forhindret den grundlæggende udforskning af disse processer.

Kenneth McKendrick og Matthew Costen, både på Heriot-Watt University, i Edinburgh, U.K., håber, at deres nye teknik til at muliggøre visualisering af gasmolekyler, der preller af en væskeoverflade, vil hjælpe klimaforskere med at forbedre deres forudsigelige atmosfæriske modeller. Teknikken er beskrevet i Journal of Chemical Physics , fra AIP Publishing.

"Molekylet af interesse i vores undersøgelse, hydroxyl radikalet, er et ustabilt fragment af et molekyle, der påvirker hele forståelsen af ​​atmosfærisk kemi og ting, der virkelig påvirker klimaet, " sagde McKendrick. "Nogle af disse vigtige OH-reaktioner finder sted på overfladen af ​​væskedråber, men vi kan ikke se overfladeinteraktioner direkte, så vi måler karakteristikaene af de spredte molekyler fra realtidsfilm for at udlede, hvad der skete under deres møde med væsken."

Laserplader er nøglen til teknikken, inducerer et kortvarigt fluorescerende signal fra hvert molekyle, når det passerer gennem 10 nanosekunders pulser. Laser-induceret fluorescens er ikke nyt i sig selv, men dette var første gang laserark er blevet anvendt til spredning fra en overflade i et vakuum uden andre molekyler til stede for at forstyrre spredningen fra den molekylære stråle. Dette gjorde det muligt for McKendrick-teamet at fange individuelle rammer for molekylær bevægelse, fra molekylær stråle til væskeoverflade og spredning, som blev samlet til film.

I modsætning til tidligere metoder til at fange gas-væske interaktioner, alle de egenskaber, der er nødvendige for at forstå interaktionen – hastighed, spredningsvinkel, rotation, osv. - er fanget i de simple film, som McKendrick beskriver som "intuitive". Ved at observere de molekylære filmstrimler, McKendricks team bemærkede molekyler spredt i en bred vifte af vinkler, ligner en bold, der hopper af i alle retninger, når den kastes på en ujævn overflade. Denne simple observation viste direkte, at overfladen af ​​væsker ikke er flad.

"Når du kommer ned på det molekylære niveau, overfladen af ​​disse væsker er meget ru, så meget, at du næsten ikke kan se forskel på fordelingen af ​​molekyler, når de er rettet lodret ned på overfladen eller i en vinkel på 45 grader. Denne opdagelse er vigtig for at forstå chancerne for, at forskellige molekylære processer sker ved væskeoverfladen, " sagde McKendrick.

Efterhånden som de forbedrer deres teknik, McKendricks team håber at indsamle mere raffineret information fra atmosfærisk relevante væsker. Men McKendrick påpeger, at teknikken ikke er begrænset til atmosfærisk videnskab og sandsynligvis snart vil blive anvendt til at forstå de gas-faste vekselvirkninger, der forekommer i processer såsom den katalytiske omdannelse af gasser i bilmotorer.