Ток пара

8 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

надежный источник

корректура

Общество Макса Планка

Поверхностно-активные вещества играют важную роль в повседневной жизни, например, в качестве основных компонентов мыла. Поскольку в их структуре есть гидрофильные и гидрофобные части, они накапливаются на границе раздела воды с воздухом и могут там влиять на скорость испарения раствора или эффективность, с которой молекулы газа поглощаются раствором, что, например, важно. за попадание углекислого газа в океаны.

Как поверхностно-активные вещества располагаются на границе раздела воды с воздухом — это интригующий вопрос, который интересовал ученых на протяжении веков, начиная с Бенджамина Франклина, который отметил успокаивающий эффект растительного масла на поверхности воды, и Агнес Поккельс, которая сделала одну из первых систематические эксперименты по этому вопросу в конце 19 века.

На вопрос о расположении молекул ПАВ на границе раздела вода-воздух ответить непросто, так как пристальное рассмотрение самой оболочки жидкой воды требует методов, оттачивающих внешние слои воды, где молекулы ПАВ расположены в слое толщиной всего несколько миллиардных долей метра.

Совместное исследование ученых кафедр неорганической химии, молекулярной физики и теории Института Фрица Габера в Берлине недавно продемонстрировало новый метод решения этой проблемы, основанный на упругом рассеянии фотоэлектронов, испускаемых при облучении воды — поверхностно-активного вещества — граница раздела паров с помощью рентгеновских лучей.

Поверхностно-активное вещество, которое они изучали, представляло собой перфторированную пентановую кислоту, в которой четыре из пяти атомов углерода можно отличить друг от друга в фотоэлектронном спектре основного уровня C 1s (внутренняя оболочка), и, в частности, гидрофильный и гидрофобный концы молекулы можно отличить друг от друга. отличить друг от друга в эксперименте.

Перфторированная пентановая кислота также принадлежит к классу так называемых «вечных химикатов», которые в последнее время стали основным загрязнителем природных вод; эти молекулы трудно удалить, и они наносят вред окружающей среде. Измерения проводились на источниках света синхротронного излучения BESSY-II в Берлине и SOLEIL под Парижем на рентгеновских линиях, позволяющих изменять направление линейной поляризации рентгеновских лучей.

Угол между направлением поляризации и детектором электронов определяет интенсивность регистрируемого электронного сигнала. Распределение интенсивности в зависимости от угла дает представление о том, сколько упругих «столкновений» испытали электроны на пути к детектору электронов.

Поскольку вода является плотной средой, электроны, возникающие в тех частях молекулы ПАВ, которые глубже погружены в воду, будут испытывать более упругое рассеяние, чем электроны, вылетающие из частей молекулы, выступающих в воздух, который гораздо менее плотен, чем вода. . Эксперименты показали, что упругое рассеяние достаточно чувствительно, чтобы наблюдать различия в рассеянии от соседних атомов углерода в молекуле, которые разделены всего примерно одной десятимиллиардной метра (0,1 нм).

Хотя эксперименты качественно показали ожидаемую ориентацию молекулы: гидрофобный конец был направлен в сторону воздуха, а гидрофильный конец - в сторону воды, сами по себе эксперименты не могут количественно определить среднее положение молекулы относительно границы раздела вода-воздух. Это стало возможным с помощью молекулярно-динамического моделирования, которое отслеживает траектории молекул воды и поверхностно-активных веществ с течением времени и создает «кино» молекулярного масштаба.