Ny metode undersøger gas-væske-grænsefladen i nye detaljer

Grænsefladen mellem gasser og væsker findes overalt i naturen. Det er også vigtigt for mange industrielle processer. For at forbedre forståelsen af ​​gas-væske-grænsefladen har forskere udviklet et apparat til at studere reaktioner mellem gasmolekyler og meget flygtige væsker med nye detaljeringsniveauer. Den bruger en molekylær stråle, der er rettet mod en flad væskeoverflade. Når strålen spredes, indsamler en detektor data om hastigheden, retningen og massen af ​​molekyler i den spredte stråle. Dette giver forskerne mulighed for at udlede ændringerne i forbindelse med samspillet mellem gas og væske. For at evaluere gennemførligheden af ​​denne nye tilgang undersøgte forskerne samspillet mellem ædelgassen neon og flydende dodecan.

Grænsefladen mellem gas- og væskefasen er et unikt kemisk miljø. Det er vigtigt at forstå kemiske reaktioner i jordens atmosfære, og hvordan kulstof bevæger sig mellem luften og havets overflade. I industrielle omgivelser påvirker denne grænseflade, hvordan luft og brændstof blandes i forbrændingsmotorer og andre applikationer. Det nye fladstrålespredningsapparat åbner nye muligheder for gas-væske grænsefladeundersøgelser af flygtige væsker. Forskere kan nu studere reaktioner af molekyler på den flydende vandoverflade med opløsning på molekylært niveau. Forskerne planlægger at bruge denne metode til at studere dannelsen af ​​sur regn og molekyler relateret til luftforurening.

Denne forskning rapporterer de første resultater af et nydesignet fladstrålespredningsapparat. Forskerne, herunder videnskabsmænd fra University of California, Berkeley; Lawrence Berkeley National Laboratory; Fritz Haber Institute of the Max Planck Society; Leibniz Institute of Surface Engineering; og University of Leipzig, demonstrerede gennemførligheden af ​​apparatet ved at studere neon-flydende dodecan-spredningssystem. De startede med at måle molekylær fordampning fra en neon-dopet dodecan fladstråle. Forskningen fandt, at fordampning følger en vinkelfordeling, der bedst tilnærmes ved en cosinusfunktion for både neon- og dodecanmolekyler. Også hastighedsfordelingen af ​​de udgående neonmolekyler følger en Maxwell-Boltzmann-fordeling ved væsketemperaturen. Dette indikerer uforstyrret fordampning af neon. Forskerne brugte derfor neonatomer til at undersøge spredningsdynamikken ved den flydende dodecanoverflade.

In the scattering experiments, the team observed two main mechanisms:impulsive scattering (IS) and thermal desorption (TD). In TD, molecules impinging on the surface fully thermalize with the liquid and subsequently desorb. This mechanism has a fingerprint already known from the evaporation studies. For IS, however, information about the initial beam energy and direction is partially conserved. The research exploited this condition to quantify the translational energy transfer from neon to the liquid. They showed that the nature of the energy transfer can be modeled with a soft‑sphere kinematic model. This model enabled them to estimate the effective surface mass of dodecane to be 60 amu, which is much smaller than a single dodecane molecule (170 amu), thereby indicating that only part of a dodecane molecule contributes to the interaction at the collision timescale. The team's next steps include conducting experiments related to protic/aprotic molecular scattering off dodecane and reactive scattering from water. + Udforsk yderligere

Imaging chemical kinetics at liquid-liquid interfaces