Vänster:en platt stråle av flytande dodekan producerad av ett mikrofluidiskt chipmunstycke. Höger:en infallande molekylär stråle (röd linje) som träffar jetytan. Forskare kan analysera hastigheten och vinkelfördelningarna av molekyler i den spridda strålen (blå linje). Kredit:Chin Lee, University of California i Berkeley
Gränssnittet mellan gaser och vätskor finns i hela naturen. Det är också viktigt för många industriella processer. För att förbättra förståelsen av gränssnittet mellan gas och vätska har forskare utvecklat en apparat för att studera reaktioner mellan gasmolekyler och mycket flyktiga vätskor med nya detaljnivåer. Den använder en molekylär stråle som riktas mot en plan vätskeyta. När strålen sprids samlar en detektor in data om hastigheten, riktningen och massan av molekyler i den spridda strålen. Detta gör det möjligt för forskare att härleda förändringar relaterade till interaktionen mellan gas och vätska. För att utvärdera genomförbarheten av detta nya tillvägagångssätt studerade forskarna interaktionen mellan ädelgasen neon och flytande dodekan.
Gränssnittet mellan gas- och vätskefasen är en unik kemisk miljö. Det är viktigt att förstå kemiska reaktioner i jordens atmosfär och hur kol rör sig mellan luften och havsytan. I industriella miljöer påverkar detta gränssnitt hur luft och bränsle blandas i förbränningsmotorer och andra applikationer. Den nya plattstrålespridningsapparaten öppnar nya möjligheter för gas-vätskegränssnittsstudier av flyktiga vätskor. Forskare kan nu studera reaktioner av molekyler på den flytande vattenytan med upplösning på molekylär nivå. Forskarna planerar att använda denna metod för att studera bildandet av surt regn och molekyler relaterade till luftföroreningar.
Denna forskning rapporterar de första resultaten av en nydesignad apparat för spridning av platt jet. Forskarna, inklusive forskare från University of California, Berkeley; Lawrence Berkeley National Laboratory; Fritz Haber Institute of the Max Planck Society; Leibniz Institute of Surface Engineering; och universitetet i Leipzig, visade apparatens genomförbarhet genom att studera neon-vätskespridningssystemet för dodekan. De började med att mäta molekylär avdunstning från en neondopad dodekan-flatstråle. Forskningen fann att avdunstning följer en vinkelfördelning som bäst approximeras av en cosinusfunktion för både neon- och dodekanmolekyler. Hastighetsfördelningen för de utgående neonmolekylerna följer också en Maxwell-Boltzmann-fördelning vid vätsketemperaturen. Detta indikerar oberörd avdunstning av neon. Forskarna använde därför neonatomer för att undersöka spridningsdynamiken vid den flytande dodekanytan.
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. + Utforska vidare
