_ Strălucește o lumină nouă asupra curcubeului cu pată de ulei și a altor fizice în strat subțire

Când lumina soarelui se reflectă pe o băltoacă de apă uleioasă dintr-o parcare, creează un curcubeu de culori învolburate. Acest lucru se datorează principiului de interferență a filmului subțire, care explică modul în care lumina se reflectă pe diferite straturi, sau filme, într-un amestec de lichide.

Pentru David Hoffman, om de știință asociat la Acceleratorul național SLAC al Departamentului de Energie Cu toate acestea, în laborator, ceea ce se întâmplă în aceste amestecuri este mult mai mult decât culori frumoase. Interfețele subțiri care produc acele culori au implicații majore în biologie, chimie și industria petrolieră și farmaceutică, printre altele. O aplicație cheie este în purificarea chimică, în care separarea substanțelor chimice la interfețele lor este în centrul procesului.

Totuși, obținerea fizicii fundamentale a interfețelor subțiri precum cele dintr-o băltoacă uleioasă sau din droguri interacțiunile a fost o provocare. Acest lucru se datorează faptului că, în esență, cercetătorii trebuie să vadă prin stive și stive de filme pentru a ajunge la punctul exact în care două lichide diferite, cum ar fi uleiul și apa, se întâlnesc.

Acum, Hoffman și colegii ar fi găsit o soluție: Tragându-se cu jeturi de apă și ulei unul în celălalt, au creat straturi lichide groase de doar câteva sute de atomi. Drept urmare, ei au putut vedea mai clar ce s-a întâmplat la interfețele la care interacționează lichidele. Ei au raportat recent descoperirile lor în Langmuir.

„Metoda noastră va permite o grămadă de noi măsurători spectroscopice pe aceste interfețe, care în esență nu sunt posibile cu tehnicile actuale”, a spus Hoffman. Aceste măsurători spectroscopice le permit oamenilor de știință să urmărească culorile individuale ale luminii cu detalii care oferă o perspectivă asupra structurilor fundamentale ale moleculelor. Aceste tehnici le pot permite, de asemenea, să urmărească reacțiile chimice care au loc în timp real, pe măsură ce materialele interacționează.

Viaigretă chimică

Pentru multe situații din biologie și chimie, interacțiunile dintre două lucruri au loc la granițe, sau interfețe, unde cele două se întâlnesc. Înainte ca un virus să intre într-o celulă, de exemplu, învelișul său exterior trebuie să se îmbine cu membrana celulei. Un exemplu mai obișnuit se întâmplă în sosurile de salată neamestecate - acolo, moleculele de ulei și apă interacționează doar la granițele dintre buzunarele celor două lichide.

„Interfața este locul în care toată acțiunea este pentru chimie și biologie pe un nivel molecular”, a spus Jake Koralek, autor principal al lucrării și om de știință la SLAC.

Interfețele lichide, care se concentrează în mod special în acest studiu, pot determina variabile esențiale, cum ar fi ratele de reacții sau gradele de amestecare, dar interfețele în sine au o grosime de doar câțiva atomi. Asta însemna că a fost aproape imposibil să se studieze interfețele din cauza volumului mare de molecule care există de fiecare parte a interfeței dintre două lichide - în esență, acea sumă de molecule a înecat semnalele de la interfața însăși și a creat mult zgomot în date experimentale.

Hoffman și echipa sa au redus zgomotul reducând volumul lichidelor la doar câțiva nanometri grosime. Pentru a face acest lucru, au aruncat jeturi de apă și ulei din duze mici, „microfluidice”, la viteze de 1 până la 10 metri pe secundă și le-au stropit împreună pentru a forma o foaie subțire de lichid. Apoi, au transmis lumină infraroșu la foaie și au studiat spectrul luminii care a trecut - o tehnică numită spectroscopie în infraroșu - pentru a înțelege ce se întâmplă la interfață. În continuare, ei speră să folosească Linac Coherent Light Source (LCLS) de la SLAC pentru a efectua spectroscopie cu raze X, care va oferi o perspectivă asupra chimiei în sine.

„Ceea ce demonstrează această lucrare este că putem face de fapt foarte fluide. și interfețe plate care se întind pe aceste foi întregi de lichid, care este o țintă perfectă pentru spectroscopie”, a spus Koralek.

Rainbow physics

Pentru primele teste folosind duzele microfluidice, echipa a împușcat doar apă, fără ulei, pentru a testa fezabilitatea spectroscopiei pe o foaie de lichid care curge. Folosind apă, echipa și-a putut verifica rezultatele în raport cu proprietățile bine-cunoscute ale interacțiunilor apei cu lumina.

Totuși, ei nu erau siguri de cum va funcționa experimentul cu mai multe lichide, așa că pentru experimentul central, echipa a tras trei avioane cu două pentru ulei și unul pentru apă și invers. Debitele au fost calibrate în așa fel încât s-au întâlnit imediat când au ieșit din duze pentru a se evantai pentru a forma o foaie subțire de lichide.

„Inițial am crezut că lichidele au fost probabil separate lateral, astfel încât unul partea ar putea fi un fluid și o parte ar putea fi cealaltă.Dar, de fapt, când am făcut spectroscopie în infraroșu, care dezvăluie ce molecule sunt în fiecare porțiune a foii, am descoperit, spre surprinderea noastră, că, în toate cazurile, un fluid este complet închis. în celălalt fluid”, a spus Koralek. „Este întotdeauna o foaie de apă înconjurată în întregime de o foaie de ulei, sau invers.”

De asemenea, echipa a putut vedea clar un model ondulat de culori curcubeu, demonstrând că nu au creat o emulsie de ulei și apă. ci mai degrabă straturi separate curat.

„Deoarece vedem acest model de culori mai deschise și mai închise, știm că nu facem o emulsie, ci că de fapt facem aceste straturi, care contribuie direct la modelele curcubeului din imaginile noastre. Imaginile frumoase sunt o parte esențială a științei”, a spus Hoffman.

Acum, după ce au stabilit că metoda funcționează, echipa a început deja pași pentru a ajuta alți oameni de știință încorporează metode microfluidice cu mai multe lichide în propriile experimente. Dispozitivele de care cercetătorii au nevoie pentru a implementa aceste metode sunt ieftine și mici - pot încăpea în palma mâinii tale - și durează doar câteva ore pentru a fi instalate în experimente cu raze X și microscoape electronice, facilitând studiul mai multor cercetători. interfețe lichide, a spus Koralek. Acest lucru ar putea avansa cercetările în domenii precum electrochimia bateriilor, a spus el, pentru a îmbunătăți cantitatea de energie care poate fi stocată și pentru cât timp - un pas crucial pe calea către o economie cu zero carbon.

(Fluierul)