Kemisk billeddannende kinetik ved væske-væske grænseflader

Forskere ledet af EPFL har udviklet en ny metode til at måle kemisk kinetik ved at afbilde forløbet af en reaktion ved en væske-væske grænseflade indlejret i en laminar-flow væskemikrojet. Denne metode er ideel til studier af dynamik på sub-millisekunders tidsskala, hvilket er meget vanskeligt at gøre med nuværende applikationer.

"Det er en ny anvendelse af såkaldte water flat-jets," siger Andreas Osterwalder ved EPFL's School of Basic Sciences. "Vi forbereder en kontrolleret grænseflade mellem to vandige opløsninger og bruger den til at måle kemisk kinetik."

Fritflydende væskemikrojets giver kemikere mulighed for at skabe en kontrollerbar glat (og i nogle tilfælde flad) overflade af en væske, der kan bruges til overfladespredning eller spektroskopiundersøgelser. Væskens frie strømning i luft eller i et vakuum skaber uhindret optisk adgang til gas-væske og væske-vakuum-grænseflader.

Nogle af de vigtigste anvendelser af mikrojets inkluderer røntgenfotoelektronspektroskopi, fordampningsdynamik, attosekund-pulsgenerering og gas-væske-kemi. En populær implementering er en enkelt cylindrisk stråle, fremstillet ved at tvinge en væske til at komme ud gennem en dyse på 10-50 mikrometer i diameter og under et tryk på nogle få bar, hvilket resulterer i en laminær stråle med en strømningshastighed på titusvis af meter i sekundet.

Disse mikrojets har for nylig høstet stor interesse for in-vacuum applikationer, hvor dyserne bevæger sig frit og forbliver flydende i nogle millimeter, før de forfalder til dråber og fryser. "Mange eksperimenter kræver en plan overflade, der forhindrer uønsket gennemsnit over effekter fra den vinkelafhængige overflade," siger Osterwalder. Som et resultat af dette behov har forskere udviklet forskellige arrangementer af plane overflader med laminær strømning, der producerer såkaldte flydende fladstråler.

En almindelig form for et sådant arrangement er at krydse to cylindriske stråler af en væske. Den resulterende fladstråle er en kæde af bladformede strukturer af den strømmende væske. "Bladene" er ark, der kun er nogle få mikrometer tykke, og hver enkelt er bundet af en relativt tyk væskerand og stabiliseret af overfladespænding og væskeinerti.

På det punkt, hvor de to cylindriske stråler krydser hinanden, skubbes opløsningerne udad, mens de fortsætter med at bevæge sig i en overordnet fremadrettet retning. Men overfladespændingen af ​​de flydende løsninger modvirker dette, så til sidst smelter de ydre grænser sammen for at skabe "blad"-formen.

"Disse stødende, fritflydende stråler producerer en bladstruktur, hvor vi antog, at på grund af fraværet af turbulens flyder væskerne sammen i det første blad og danner en grænseflade mellem to væsker," siger Osterwalder. "Vi troede, at dette ville gøre dem til et glimrende værktøj til at få adgang til væske-væske grænsefladen selv af blandbare væsker - væsker, der blandes homogent, og endda to prøver af identiske opløsningsmidler."

Forskerne testede fladstråle-arrangementet ved at bruge det til at studere kinetikken af ​​luminoloxidationskemiluminescensreaktionen, en glød-i-mørke-reaktion, der udsender et blåt lys, når den organiske forbindelse luminol oxideres. Reaktionen er populær blandt kriminelle efterforskere, der leder efter spormængder af blod, men er også meget brugt i biologiske forskningsanalyser.

Ved hjælp af luminol-reaktionen bekræftede forskerne, at fladstrålen faktisk indeholder en væske-væske-grænseflade snarere end opløsninger, der blandes ved turbulente processer, og de demonstrerer en teknik til kemisk kinetikundersøgelser under kontrollerede forhold. Fordelen ved fladstrålemetoden er, at den fjerner behovet for hurtig blanding af opløsninger og drager fordel af de fritflydende stråler, der ikke forstyrres af friktion på beholdervæggene.

"Vi mener, at dette er en lovende tilgang til måling af kemisk kinetik på sub-millisekunders tidsskala, et interval, der er meget vanskeligt at nå med nuværende eksisterende teknologier, og til at studere fundamental dynamik ved væske-væske grænseflader," siger Osterwalder.

Undersøgelsen er offentliggjort i Journal of the American Chemical Society . + Udforsk yderligere

Forskere laver omskiftelige spejle af flydende metal