Une nouvelle méthode permet d'examiner l'interface gaz-liquide dans ses moindres détails.
Un nouvel appareil de diffusion de faisceaux moléculaires utilisant un jet plat de liquide permet d'étudier les réactions chimiques à l'interface gaz-liquide des liquides volatils.
L'interface entre les gaz et les liquides est présente partout dans la nature. Elle est également importante pour de nombreux processus industriels. Pour améliorer la compréhension de l'interface gaz-liquide, les chercheurs ont mis au point un appareil permettant d'étudier les réactions entre les molécules de gaz et les liquides très volatils avec un niveau de détail inédit. Il utilise un faisceau moléculaire qui est dirigé sur une surface liquide plane. Lorsque le faisceau se diffuse, un détecteur recueille des données sur la vitesse, la direction et la masse des molécules dans le faisceau diffusé. Cela permet aux chercheurs de déduire les changements liés à l'interaction du gaz et du liquide. Pour évaluer la faisabilité de cette nouvelle approche, les chercheurs ont étudié l'interaction entre le gaz noble néon et le dodécane liquide.
A gauche : un jet plat de dodécane liquide produit par une buse de puce microfluidique. À droite : un faisceau moléculaire incident (ligne rouge) frappant la surface du jet. Les chercheurs peuvent analyser la vitesse et la distribution angulaire des molécules dans le faisceau diffusé (ligne bleue).
Image courtesy of Chin Lee, University of California at Berkeley
L'impact
L'interface entre la phase gazeuse et la phase liquide est un environnement chimique unique. Elle est importante pour comprendre les réactions chimiques dans l'atmosphère terrestre et la façon dont le carbone se déplace entre l'air et la surface de la mer. Dans l'industrie, cette interface affecte la façon dont l'air et le carburant se mélangent dans les moteurs à combustion interne et d'autres applications. Le nouvel appareil de diffusion à jet plat ouvre de nouvelles possibilités pour l'étude de l'interface gaz-liquide des liquides volatils. Les scientifiques peuvent désormais étudier les réactions des molécules à la surface de l'eau liquide avec une résolution au niveau moléculaire. Les chercheurs prévoient d'utiliser cette méthode pour étudier la formation des pluies acides et des molécules liées à la pollution atmosphérique.
Résumé
Cette recherche rapporte les premiers résultats d'un appareil de diffusion à jet plat de conception nouvelle. Les chercheurs, dont des scientifiques de l'Université de Californie, Berkeley, du Lawrence Berkeley National Laboratory, de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck, de l'Institut Leibniz d'ingénierie des surfaces et de l'Université de Leipzig, ont démontré la faisabilité de l'appareil en étudiant le système de diffusion néon-liquide dodécane. Ils ont commencé par mesurer l'évaporation moléculaire à partir d'un jet plat de dodécane dopé au néon. Les chercheurs ont constaté que l'évaporation suit une distribution angulaire qui s'approche le mieux d'une fonction cosinus pour les molécules de néon et de dodécane. En outre, la distribution de la vitesse des molécules de néon sortantes suit une distribution Maxwell-Boltzmann à la température du liquide. Cela indique une évaporation non perturbée du néon. Les chercheurs ont donc utilisé des atomes de néon pour sonder la dynamique de diffusion à la surface du dodécane liquide.
Lors des expériences de diffusion, l'équipe a observé deux mécanismes principaux : la diffusion impulsive (SI) et la désorption thermique (DT). Dans le cas de la TD, les molécules qui frappent la surface se thermalisent complètement avec le liquide et se désorbent ensuite. Ce mécanisme a une empreinte déjà connue grâce aux études sur l'évaporation. Pour l'IS, cependant, les informations sur l'énergie et la direction initiales du faisceau sont partiellement conservées. Les chercheurs ont exploité cette condition pour quantifier le transfert d'énergie par translation du néon au liquide. Ils ont montré que la nature du transfert d'énergie peut être modélisée à l'aide d'un modèle cinématique de sphère molle. Ce modèle leur a permis d'estimer la masse de surface effective du dodécane à 60 amu, ce qui est beaucoup plus petit qu'une seule molécule de dodécane (170 amu), indiquant ainsi que seule une partie de la molécule de dodécane contribue à l'interaction à l'échelle de temps de la collision. Les prochaines étapes de l'équipe comprennent la réalisation d'expériences liées à la diffusion moléculaire protique/aprotique du dodécane et à la diffusion réactive de l'eau.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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