Nieuwe methode onderzoekt de gas-vloeistof-interface in nieuw detail

Het grensvlak tussen gassen en vloeistoffen is overal in de natuur te vinden. Het is ook belangrijk voor veel industriële processen. Om het begrip van de gas-vloeistof-interface te verbeteren, hebben onderzoekers een apparaat ontwikkeld om reacties tussen gasmoleculen en zeer vluchtige vloeistoffen met nieuwe detailniveaus te bestuderen. Het maakt gebruik van een moleculaire bundel die op een vlak vloeistofoppervlak wordt gericht. Wanneer de bundel verstrooit, verzamelt een detector gegevens over de snelheid, richting en massa van moleculen in de verstrooide bundel. Hierdoor kunnen onderzoekers de veranderingen afleiden die verband houden met de interactie van gas en vloeistof. Om de haalbaarheid van deze nieuwe aanpak te evalueren, bestudeerden de onderzoekers de interactie tussen het edelgas neon en vloeibaar dodecaan.

Het grensvlak tussen de gas- en vloeistoffase is een unieke chemische omgeving. Het is belangrijk om de chemische reacties in de atmosfeer van de aarde te begrijpen en te begrijpen hoe koolstof tussen de lucht en het zeeoppervlak beweegt. In industriële omgevingen beïnvloedt deze interface hoe lucht en brandstof zich mengen in verbrandingsmotoren en andere toepassingen. Het nieuwe verstrooiingsapparaat met platte straal opent nieuwe mogelijkheden voor onderzoek naar gas-vloeistofinterfaces van vluchtige vloeistoffen. Wetenschappers kunnen nu reacties van moleculen op het vloeibare wateroppervlak bestuderen met een resolutie op moleculair niveau. De onderzoekers zijn van plan om deze methode te gebruiken om de vorming van zure regen en moleculen die verband houden met luchtvervuiling te bestuderen.

Dit onderzoek rapporteert de eerste resultaten van een nieuw ontworpen vlakstraalverstrooiingsapparaat. De onderzoekers, waaronder wetenschappers van de University of California, Berkeley; Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium; het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society; het Leibniz Instituut voor Oppervlaktetechniek; en de Universiteit van Leipzig, hebben de haalbaarheid van het apparaat aangetoond door het neon-vloeibare dodecaanverstrooiingssysteem te bestuderen. Ze begonnen met het meten van de moleculaire verdamping van een met neon gedoteerde dodecaan vlakke straal. Uit het onderzoek bleek dat verdamping een hoekverdeling volgt die het best wordt benaderd door een cosinusfunctie voor zowel neon- als dodecaanmoleculen. Ook volgt de snelheidsverdeling van de uitgaande neonmoleculen een Maxwell-Boltzmann-verdeling bij de vloeistoftemperatuur. Dit duidt op een ongestoorde verdamping van neon. De onderzoekers gebruikten daarom neonatomen om de verstrooiingsdynamiek aan het vloeibare dodecaanoppervlak te onderzoeken.

In de verstrooiingsexperimenten observeerde het team twee hoofdmechanismen: impulsieve verstrooiing (IS) en thermische desorptie (TD). In TD worden moleculen die op het oppervlak botsen volledig gethermaliseerd met de vloeistof en vervolgens desorberen. Dit mechanisme heeft een vingerafdruk die al bekend is uit de verdampingsstudies. Voor IS is informatie over de initiële bundelenergie en richting echter gedeeltelijk behouden. Het onderzoek maakte gebruik van deze voorwaarde om de translatie-energieoverdracht van neon naar de vloeistof te kwantificeren. Ze toonden aan dat de aard van de energieoverdracht kan worden gemodelleerd met een kinematisch model met zachte bolletjes. Met dit model konden ze de effectieve oppervlaktemassa van dodecaan schatten op 60 amu, wat veel kleiner is dan een enkel dodecaanmolecuul (170 amu), wat aangeeft dat slechts een deel van een dodecaanmolecuul bijdraagt ​​aan de interactie op de tijdschaal van de botsing. De volgende stappen van het team omvatten het uitvoeren van experimenten met betrekking tot protische / aprotische moleculaire verstrooiing van dodecaan en reactieve verstrooiing vanuit water.