Un nuevo método examina la interfaz gas-líquido con nuevos detalles

Un novedoso aparato de dispersión de haces moleculares que utiliza un chorro plano de líquido puede estudiar las reacciones químicas en la interfaz gas-líquido de los líquidos volátiles

28.07.2022 - Estados Unidos

La interfaz entre gases y líquidos se encuentra en toda la naturaleza. También es importante para muchos procesos industriales. Para mejorar la comprensión de la interfaz gas-líquido, los investigadores han desarrollado un aparato para estudiar las reacciones entre las moléculas de gas y los líquidos altamente volátiles con nuevos niveles de detalle. Utiliza un haz molecular que se dirige a una superficie líquida plana. Cuando el haz se dispersa, un detector recoge datos sobre la velocidad, dirección y masa de las moléculas en el haz dispersado. Esto permite a los investigadores deducir los cambios relacionados con la interacción del gas y el líquido. Para evaluar la viabilidad de este novedoso enfoque, los investigadores estudiaron la interacción entre el gas noble neón y el dodecano líquido.

El impacto

La interfaz entre la fase gaseosa y la líquida es un entorno químico único. Es importante para entender las reacciones químicas en la atmósfera terrestre y cómo se mueve el carbono entre el aire y la superficie del mar. En el ámbito industrial, esta interfaz afecta a cómo se mezclan el aire y el combustible en los motores de combustión interna y otras aplicaciones. El novedoso aparato de dispersión de chorro plano abre nuevas oportunidades para el estudio de la interfaz gas-líquido de los líquidos volátiles. Los científicos pueden ahora estudiar las reacciones de las moléculas en la superficie del agua líquida con una resolución a nivel molecular. Los investigadores tienen previsto utilizar este método para estudiar la formación de la lluvia ácida y las moléculas relacionadas con la contaminación atmosférica.

Resumen

Esta investigación presenta los primeros resultados de un aparato de dispersión de chorro plano de nuevo diseño. Los investigadores, entre los que se encuentran científicos de la Universidad de California, Berkeley; el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley; el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck; el Instituto Leibniz de Ingeniería de Superficies; y la Universidad de Leipzig, demostraron la viabilidad del aparato estudiando el sistema de dispersión de neón-líquido dodecano. Comenzaron midiendo la evaporación molecular de un chorro plano de dodecano dopado con neón. La investigación descubrió que la evaporación sigue una distribución angular que se aproxima mejor mediante una función coseno tanto para las moléculas de neón como de dodecano. Además, la distribución de la velocidad de las moléculas de neón salientes sigue una distribución de Maxwell-Boltzmann a la temperatura del líquido. Esto indica que la evaporación del neón no está perturbada. Por tanto, los investigadores utilizaron átomos de neón para sondear la dinámica de dispersión en la superficie del dodecano líquido.

En los experimentos de dispersión, el equipo observó dos mecanismos principales: la dispersión impulsiva (IS) y la desorción térmica (TD). En la TD, las moléculas que inciden en la superficie se termalizan completamente con el líquido y posteriormente se desorben. Este mecanismo tiene una huella digital ya conocida por los estudios de evaporación. Sin embargo, en el caso de la IS, la información sobre la energía y la dirección iniciales del haz se conserva parcialmente. Los investigadores aprovecharon esta condición para cuantificar la transferencia de energía traslacional del neón al líquido. Demostraron que la naturaleza de la transferencia de energía puede modelarse con un modelo cinemático de esfera blanda. Este modelo les permitió estimar que la masa superficial efectiva del dodecano es de 60 amu, que es mucho menor que la de una sola molécula de dodecano (170 amu), lo que indica que sólo una parte de la molécula de dodecano contribuye a la interacción en la escala de tiempo de la colisión. Los próximos pasos del equipo incluyen la realización de experimentos relacionados con la dispersión molecular prótica/aprótica del dodecano y la dispersión reactiva del agua.

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