En plattstråle som uppvisar blå luminescens på grund av oxidationen av Luminol. Fotografiet visar bladen som bildas genom korsningen av två vätskemikrojetstrålar, strömmande från vänster till höger, och visar att det första bladet kännetecknas av laminärt flöde. Som en konsekvens bildas ett vätske-vätska-gränssnitt som kan användas för att mäta kemisk kinetik. Kredit:A. Osterwalder (EPFL)
Forskare under ledning av EPFL har utvecklat en ny metod för att mäta kemisk kinetik genom att avbilda framstegen i en reaktion vid ett vätske-vätskegränssnitt inbäddat i en vätskemikrojet med laminärt flöde. Denna metod är idealisk för studier av dynamik på submillisekunders tidsskala, vilket är mycket svårt att göra med nuvarande applikationer.
"Det är en ny tillämpning av så kallade vattenflatstrålar", säger Andreas Osterwalder vid EPFL:s School of Basic Sciences. "Vi förbereder ett kontrollerat gränssnitt mellan två vattenlösningar och använder det för att mäta kemisk kinetik."
Friflytande vätskemikrojets tillåter kemister att skapa en kontrollerbar slät (och i vissa fall platt) yta av en vätska som kan användas för ytspridning eller spektroskopistudier. Det fria flödet av vätskan i luft eller i vakuum skapar obehindrad optisk åtkomst till gränssnitt mellan gas-vätska och vätska-vakuum.
Några av de huvudsakliga tillämpningarna för mikrojets inkluderar röntgenfotoelektronspektroskopi, förångningsdynamik, attosekundpulsgenerering och gas-vätskekemi. En populär implementering är en enda cylindrisk stråle, gjord genom att tvinga en vätska att komma ut genom ett munstycke med 10–50 mikrometer i diameter och under ett tryck på några bar, vilket resulterar i en laminär stråle med en flödeshastighet på tiotals meter per sekund.
Dessa mikrostrålar har nyligen väckt stort intresse för applikationer i vakuum, där strålarna rör sig fritt och förblir flytande i några millimeter innan de sönderfaller till droppar och fryser. "Många experiment kräver en plan yta som förhindrar oönskad medelvärde över effekter från den vinkelberoende ytan", säger Osterwalder. Som ett resultat av detta behov har forskare utvecklat olika arrangemang av plana ytor med laminärt flöde, som producerar så kallade flytande flatstrålar.
En vanlig form av ett sådant arrangemang är att korsa två cylindriska strålar av en vätska. Den resulterande platta strålen är en kedja av lövformade strukturer av den strömmande vätskan. "Löven" är ark som bara är några mikrometer tjocka, och var och en är bunden av en relativt tjock vätskekant och stabiliserad av ytspänning och vätsketröghet.
Vid den punkt där de två cylindriska strålarna korsar, skjuts lösningarna utåt, samtidigt som de fortsätter att röra sig i en övergripande framåtriktning. Men ytspänningen hos de flytande lösningarna motverkar detta, så så småningom smälter de yttre gränserna samman för att skapa "blad"-formen.
"Dessa infallande, fritt strömmande jetstrålar producerar en lövstruktur, där vi antog att vätskorna, på grund av frånvaron av turbulens, flyter bredvid varandra i det första bladet och bildar ett gränssnitt mellan två vätskor", säger Osterwalder. "Vi trodde att detta skulle göra dem till ett utmärkt verktyg för att få tillgång till vätske-vätska-gränssnittet även för blandbara vätskor - vätskor som blandas homogent, och till och med två prover av identiska lösningsmedel."
Forskarna testade flat-jet-arrangemanget genom att använda det för att studera kinetiken för luminoloxidationskemiluminescensreaktionen, en glöd-i-mörker-reaktion som avger ett blått ljus när den organiska föreningen luminol oxideras. Reaktionen är populär bland brottsutredare som letar efter spårmängder av blod, men används också i stor utsträckning i biologiska forskningsanalyser.
Med hjälp av luminolreaktionen bekräftade forskarna att plattstrålen verkligen innehåller ett vätske-vätskegränssnitt, snarare än lösningar som blandas av turbulenta processer, och de visar en teknik för kemisk kinetikstudier under kontrollerade förhållanden. Fördelen med flat-jet-metoden är att den eliminerar behovet av snabb blandning av lösningar och drar nytta av de friflytande strålarna som inte störs av friktion på behållarens väggar.
"Vi tror att detta är ett lovande tillvägagångssätt för att mäta kemisk kinetik på en tidsskala under millisekunder, ett intervall som är mycket svårt att nå med befintliga teknologier, och att studera grundläggande dynamik vid vätske-vätskegränssnitt", säger Osterwalder.
Studien publiceras i Journal of the American Chemical Society . + Utforska vidare
