Neuartige Methode untersucht die Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche in neuem Detail
Neuartiges Molekularstrahl-Streuungsgerät, das einen flüssigen Flachstrahl verwendet, kann chemische Reaktionen an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche von flüchtigen Flüssigkeiten untersuchen
Die Grenzfläche zwischen Gasen und Flüssigkeiten ist in der Natur allgegenwärtig. Sie ist auch für viele industrielle Prozesse wichtig. Um das Verständnis der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu verbessern, haben Forscher eine Apparatur entwickelt, mit der Reaktionen zwischen Gasmolekülen und leicht flüchtigen Flüssigkeiten mit neuer Detailgenauigkeit untersucht werden können. Sie verwendet einen Molekularstrahl, der auf eine flache Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird. Wenn der Strahl gestreut wird, sammelt ein Detektor Daten über die Geschwindigkeit, die Richtung und die Masse der Moleküle im gestreuten Strahl. Daraus lassen sich die Veränderungen ableiten, die mit der Wechselwirkung von Gas und Flüssigkeit zusammenhängen. Um die Machbarkeit dieses neuartigen Ansatzes zu bewerten, untersuchten die Forscher die Wechselwirkung zwischen dem Edelgas Neon und flüssigem Dodekan.
Links: Flachstrahl aus flüssigem Dodekan, erzeugt von einer mikrofluidischen Chipdüse. Rechts: ein einfallender Molekularstrahl (rote Linie), der auf die Oberfläche des Strahls trifft. Die Forscher können die Geschwindigkeits- und Winkelverteilungen der Moleküle im gestreuten Strahl (blaue Linie) analysieren.
Image courtesy of Chin Lee, University of California at Berkeley.
Der Impact
Die Grenzfläche zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase stellt eine einzigartige chemische Umgebung dar. Sie ist wichtig für das Verständnis der chemischen Reaktionen in der Erdatmosphäre und der Bewegung von Kohlenstoff zwischen der Luft und der Meeresoberfläche. In der Industrie beeinflusst diese Grenzfläche, wie sich Luft und Kraftstoff in Verbrennungsmotoren und anderen Anwendungen vermischen. Die neuartige Flachstrahl-Streuungsapparatur eröffnet neue Möglichkeiten für die Untersuchung der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche flüchtiger Flüssigkeiten. Die Wissenschaftler können nun Reaktionen von Molekülen auf der Oberfläche von flüssigem Wasser mit einer Auflösung auf Molekularebene untersuchen. Die Forscher planen, diese Methode zur Untersuchung der Bildung von saurem Regen und von Molekülen im Zusammenhang mit der Luftverschmutzung einzusetzen.
Zusammenfassung
In dieser Forschungsarbeit werden die ersten Ergebnisse einer neu entwickelten Flachstrahl-Streuvorrichtung vorgestellt. Die Forscher, zu denen Wissenschaftler der University of California, Berkeley, des Lawrence Berkeley National Laboratory, des Fritz-Haber-Instituts der Max-Planck-Gesellschaft, des Leibniz-Instituts für Oberflächentechnik und der Universität Leipzig gehörten, demonstrierten die Machbarkeit der Apparatur durch die Untersuchung des Neon-Flüssig-Dodekan-Streusystems. Sie begannen mit der Messung der Molekularverdampfung aus einem neondotierten Dodekan-Flachstrahl. Die Forscher fanden heraus, dass die Verdampfung einer Winkelverteilung folgt, die am besten durch eine Kosinusfunktion sowohl für Neon- als auch für Dodekanmoleküle approximiert wird. Auch die Geschwindigkeitsverteilung der austretenden Neonmoleküle folgt einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung bei der Flüssigkeitstemperatur. Dies deutet auf eine ungestörte Verdampfung von Neon hin. Die Forscher nutzten daher Neonatome, um die Streudynamik an der Oberfläche des flüssigen Dodekanes zu untersuchen.
Bei den Streuungsexperimenten beobachtete das Team zwei Hauptmechanismen: impulsive Streuung (IS) und thermische Desorption (TD). Bei der TD thermalisieren die auf die Oberfläche auftreffenden Moleküle vollständig mit der Flüssigkeit und desorbieren anschließend. Dieser Mechanismus ist bereits aus den Verdunstungsstudien bekannt. Bei der IS sind jedoch die Informationen über die anfängliche Strahlenergie und -richtung teilweise erhalten geblieben. Die Forscher nutzten diese Bedingung, um die translatorische Energieübertragung vom Neon auf die Flüssigkeit zu quantifizieren. Sie zeigten, dass die Art des Energietransfers mit einem kinematischen Modell mit weichen Kugeln modelliert werden kann. Anhand dieses Modells konnten sie die effektive Oberflächenmasse von Dodekan auf 60 amu schätzen, was viel kleiner ist als ein einzelnes Dodekanmolekül (170 amu) und somit darauf hindeutet, dass nur ein Teil eines Dodekanmoleküls zur Wechselwirkung auf der Kollisionszeitskala beiträgt. Die nächsten Schritte des Teams umfassen die Durchführung von Experimenten zur protischen/aprotischen Molekularstreuung an Dodekan und zur reaktiven Streuung an Wasser.
Förderung:
Diese Arbeit wird vom U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science, Basic Energy Science (BES) Program, Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences Division gefördert. Für die Forschung wurden Ressourcen des SLAC National Accelerator Laboratory genutzt, das ebenfalls vom DOE Office of Science, BES Program, unterstützt wird. Zusätzliche Unterstützung leisteten die Alexander von Humboldt-Stiftung und die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
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