Superschnelle Kollisionen sagen überkritische Fluideigenschaften voraus

Weder gasförmig noch flüssig, überkritische Flüssigkeiten weisen eine einzigartige Mischung der Eigenschaften beider auf und entstehen, wenn Flüssigkeiten auf sehr hohe Temperaturen und Drücke gebracht werden. Aufgrund ihrer Eigenschaften eignen sie sich ideal für eine Vielzahl chemischer, pharmazeutischer und umweltbezogener Anwendungen.

Überkritisches Kohlendioxid wird beispielsweise oft zum Entkoffeinieren von Kaffee verwendet – seine flüssigkeitsartige hohe Dichte und gasartige schnelle Diffusion ermöglichen es ihm, leicht in die Kaffeebohnen einzudringen und das Koffein selektiv zu extrahieren, während der beliebte Kaffeegeschmack erhalten bleibt.

Bei der Kohlenstoffabscheidung und -sequestrierung werden Kohlendioxidemissionen in ihrer überkritischen flüssigen Form unter der Erde gespeichert, um dem Klimawandel entgegenzuwirken. Es kommt auch in Raketenantriebssystemen vor, da es viel Energie effizient speichern kann, und in der Atmosphäre einiger Planeten, beispielsweise der Venus. Es könnte auch als umweltfreundlichere Flüssigkeit in zukünftigen Kühlsystemen verwendet werden.

Jetzt haben Forscher am SLAC National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums neue Details darüber entdeckt, wie die besonderen Eigenschaften überkritischer Flüssigkeiten aus der Dynamik auf molekularer Ebene entstehen. Ihre Ergebnisse werden in zwei Studien in Fachzeitschriften veröffentlicht Naturkommunikation Und Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Aus statischen Studien wissen Forscher, dass die molekulare Struktur überkritischer Flüssigkeiten aus Ansammlungen von Molekülen unterschiedlicher Größe besteht, die Bewegung dieser nanoskaligen Klumpen konnten sie jedoch bisher nicht untersuchen.

„Die Untersuchung dieser transienten, sich schnell bewegenden Nanocluster ist eine Herausforderung“, sagte Matthias Ihme, Professor für Photonenwissenschaft am SLAC National Accelerator Laboratory, Professor für Maschinenbau in Stanford und Mitglied des Stanford PULSE Institute. Die Tatsache, dass sich überkritische Flüssigkeiten nur unter hohem Druck und hoher Temperatur bilden, erschwert ihre Untersuchung zusätzlich, sagte er.

Jüngste Fortschritte bei Freie-Elektronen-Röntgenlasern ermöglichten es Ihme und seinen Kollegen jedoch, die Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC zu nutzen, um die ultraschnelle Dynamik von Molekülclustern in überkritischem Kohlendioxid direkt zu beobachten. Diese Fortschritte, sagte der wissenschaftliche Mitarbeiter des SLAC, Yanwen Sun, erforderten einen jahrzehntelangen Versuch, zwei helle, nahezu identische LCLS-Röntgenblitze in schneller Folge zu erzeugen – was es ermöglichte, die Art von Dynamik zu erfassen, an der Ihme und sein Team interessiert waren.

Durch die Messung, wie die Röntgenstrahlen des LCLS im Laufe der Zeit an den Proben gestreut werden, fanden die Autoren heraus, dass sich die Dynamik dieser Systeme innerhalb von Pikosekunden oder Billionstelsekunden entwickelt. Insbesondere diese Ergebnisse, veröffentlicht in Naturkommunikationzeigte, dass die Blobs von der ballistischen Bewegung, die relativ geradlinig und vorhersehbar ist, in die eher zufällige und unvorhersehbare Brownsche Bewegung übergehen.

Allerdings, so Ihme, „erfasst die bestehende Theorie diese Dynamik im Nanometerbereich und im Pikosekundenbereich nicht“, weshalb das Team nachfolgende Molekulardynamiksimulationen durchführte. Die Simulationen zeigten, dass der beobachtete Übergang in der Molekulardynamik auf Kollisionen zwischen ungebundenen, isolierten Molekülen der Substanz und ihren nanoskaligen Clustern zurückzuführen ist.

„Man kann es sich wie einen molekularen Flipper oder Billard vorstellen“, sagte Ihme. Diese Kollisionen tauschen Impulse zwischen den Clustern aus und beeinflussen die Eigenschaften des überkritischen Fluids wie Wärmekapazität, Dichte und Viskosität, die neben anderen Verhaltensweisen in direktem Zusammenhang damit stehen, wie das Fluid reagiert und sich vermischt.

„Unsere Messungen zeigen, dass es erhebliche Lücken bei der genauen Vorhersage von Eigenschaften in diesen komplexen Umgebungen gibt“, sagte Ihme.

Ausgestattet mit dieser neuartigen Erkenntnis entwickelte das Team ein theoretisches Modell, das in veröffentlicht wurde Briefe zur körperlichen Untersuchungdas diese mikroskopische Clusterdynamik mit den makroskopischen Eigenschaften überkritischer Flüssigkeiten verbindet und es Forschern möglicherweise ermöglicht, diese vorherzusagen und anzupassen.

„Dieses Modell ist ein Werkzeug, das es uns ermöglichen wird, überkritische Flüssigkeiten besser zu verstehen, sie besser vorherzusagen und letztendlich zu kontrollieren“, sagte Ihme. „Das ist es, was ein Ingenieur oder Chemiker für praktische Konstruktionen braucht.“

Bei dieser Arbeit konzentrierte sich das Team ausschließlich auf überkritisches flüssiges Kohlendioxid. Als nächstes hoffen sie, die Dynamik von überkritischem Wasser und die Manipulation chemischer Reaktionen in überkritischen Flüssigkeiten zu untersuchen, die zum Abbau schädlicher „ewiger Chemikalien“ in harmlose Verbindungen oder als umweltfreundliche Lösungsmittel für grüne Chemie und katalytische Anwendungen genutzt werden könnten.