Dampfstrom

8. Mai 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

vertrauenswürdige Quelle

Korrekturlesen

von der Max-Planck-Gesellschaft

Tenside spielen im täglichen Leben eine wichtige Rolle, beispielsweise als Hauptbestandteil von Seifen. Da sie hydrophile und hydrophobe Anteile in ihrer Struktur aufweisen, reichern sie sich an Wassergrenzflächen zur Luft an und können dort beispielsweise die Verdunstungsgeschwindigkeit der Lösung oder die Effizienz der Aufnahme von Gasmolekülen durch die Lösung beeinflussen, ein wichtiger Vorgang für den Einbau von Kohlendioxid in die Ozeane.

Wie sich Tenside an der Grenzfläche von Wasser und Luft anordnen, ist eine faszinierende Frage, die Wissenschaftler seit Jahrhunderten fasziniert. Sie geht zurück auf Benjamin Franklin, der die beruhigende Wirkung von Speiseöl auf der Wasseroberfläche feststellte, und auf Agnes Pockels, die einige der ersten tat systematische Experimente zu diesem Thema im späten 19. Jahrhundert.

Die Frage nach der Anordnung der Tensidmoleküle an der Wasser-Luft-Grenzfläche ist nicht einfach zu beantworten, da ein genauer Blick auf die Haut von flüssigem Wasser Methoden erfordert, die sich auf die äußeren Schichten des Wassers konzentrieren, wo sich Tensidmoleküle in einer Schicht befinden mit einer Dicke von nur wenigen Milliardstel Metern.

Eine gemeinsame Untersuchung von Wissenschaftlern der Abteilungen Anorganische Chemie, Molekularphysik und Theorie am Fritz-Haber-Institut in Berlin hat kürzlich eine neue Methode zur Lösung dieses Problems demonstriert, die auf der elastischen Streuung von Photoelektronen basiert, die bei der Bestrahlung von Wasser – einem Tensid – emittiert werden. Dampfgrenzfläche durch Röntgenstrahlen.

Das von ihnen untersuchte Tensid war perfluorierte Pentansäure, bei der vier der fünf Kohlenstoffatome im Photoelektronenspektrum des C 1s-Kerns (innere Schale) voneinander unterschieden werden können, insbesondere die hydrophilen und hydrophoben Enden des Moleküls im Experiment voneinander unterschieden werden.

Perfluorierte Pentansäure gehört ebenfalls zur Klasse der sogenannten „Forever Chemicals“, die in letzter Zeit als Hauptschadstoffe in natürlichen Gewässern in den Fokus gerückt sind; Diese Moleküle sind schwer zu entfernen und schädigen die Umwelt. Die Messungen wurden an den Synchrotronstrahlungslichtquellen BESSY-II in Berlin und SOLEIL bei Paris an Röntgenstrahllinien durchgeführt, die es ermöglichen, die Richtung der linearen Polarisation der Röntgenstrahlung zu ändern.

Der Winkel zwischen der Polarisationsrichtung und dem Elektronendetektor bestimmt die Intensität des detektierten Elektronensignals. Die Intensitätsverteilung als Funktion des Winkels gibt einen Hinweis darauf, wie viele elastische „Kollisionen“ die Elektronen auf ihrem Weg zum Elektronendetektor erlebten.

Da Wasser ein dichtes Medium ist, erfahren Elektronen, die aus Teilen des Tensidmoleküls stammen, die tiefer in Wasser eingetaucht sind, eine stärkere elastische Streuung als Elektronen, die aus Teilen des Moleküls austreten, die in die Luft ragen, die viel weniger dicht als Wasser ist . Die Experimente zeigten, dass die elastische Streuung empfindlich genug ist, um Unterschiede in der Streuung benachbarter Kohlenstoffatome im Molekül zu beobachten, die nur etwa ein Zehnmilliardstel Meter (0,1 nm) voneinander entfernt sind.

Während die Experimente qualitativ die erwartete Ausrichtung des Moleküls zeigten, wobei das hydrophobe Ende in Richtung Luft und das hydrophile Ende in Richtung Wasser zeigte, können die Experimente allein die durchschnittliche Position des Moleküls in Bezug auf die Wasser-Luft-Grenzfläche nicht quantifizieren. Dies war mithilfe von Molekulardynamiksimulationen möglich, die die Flugbahnen von Wasser- und Tensidmolekülen über die Zeit verfolgen und einen „Film“ auf molekularer Ebene liefern.

Die durchschnittliche Position des Tensids relativ zur Probenoberfläche kann dann aus vielen Schnappschüssen dieses Films bestimmt und mit den Daten der elastischen Streuung verglichen werden. Es wurde festgestellt, dass eine hervorragende Übereinstimmung zwischen den theoretischen Berechnungen und den experimentellen Daten besteht.

Dies ist ermutigend für zukünftige Messungen, die sich auf das Zusammenspiel von Tensidmolekülen mit gelösten Ionen im Wasser konzentrieren werden, ein Phänomen, das an den Wasser-Luft-Grenzflächen aller natürlichen Systeme, einschließlich Ozeanen, Flüssen und wässrigen Aerosoltröpfchen, auftritt.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.

Mehr Informationen: R. Dupuy et al., Ångstrom-Depth Resolution with Chemical Specificity at the Liquid-Vapor Interface, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.156901

Zeitschrifteninformationen:Briefe zur körperlichen Untersuchung

Zur Verfügung gestellt von der Max-Planck-Gesellschaft