Die Grenzfläche zwischen Gasen und Flüssigkeiten findet sich überall in der Natur. Es ist auch für viele industrielle Prozesse wichtig. Um das Verständnis der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche zu verbessern, haben Forscher einen Apparat entwickelt, um Reaktionen zwischen Gasmolekülen und leicht flüchtigen Flüssigkeiten mit neuen Detailgraden zu untersuchen. Es verwendet einen Molekularstrahl, der auf eine flache Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird. Wenn der Strahl gestreut wird, sammelt ein Detektor Daten über die Geschwindigkeit, Richtung und Masse der Moleküle im gestreuten Strahl. Daraus können die Forscher die Veränderungen im Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Gas und Flüssigkeit ableiten. Um die Machbarkeit dieses neuartigen Ansatzes zu bewerten, untersuchten die Forscher die Wechselwirkung zwischen dem Edelgas Neon und flüssigem Dodekan.
Die Grenzfläche zwischen Gas- und Flüssigphase ist eine einzigartige chemische Umgebung. Es ist wichtig, chemische Reaktionen in der Erdatmosphäre zu verstehen und wie sich Kohlenstoff zwischen der Luft und der Meeresoberfläche bewegt. In industriellen Umgebungen beeinflusst diese Schnittstelle, wie sich Luft und Kraftstoff in Verbrennungsmotoren und anderen Anwendungen mischen. Der neuartige Flachstrahlstreuapparat eröffnet neue Möglichkeiten für Gas-Flüssigkeits-Grenzflächenstudien von flüchtigen Flüssigkeiten. Wissenschaftler können jetzt Reaktionen von Molekülen auf der flüssigen Wasseroberfläche mit molekularer Auflösung untersuchen. Mit dieser Methode wollen die Forscher die Bildung von saurem Regen und Molekülen im Zusammenhang mit der Luftverschmutzung untersuchen.
Diese Forschungsarbeit berichtet über die ersten Ergebnisse einer neu gestalteten Flachstrahlstreuvorrichtung. Die Forscher, darunter Wissenschaftler der University of California, Berkeley; Lawrence Berkeley National Laboratory; das Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft; das Leibniz-Institut für Oberflächentechnik; und der Universität Leipzig, demonstrierten die Machbarkeit der Apparatur, indem sie das Neon-Flüssigkeits-Dodecan-Streusystem untersuchten. Sie begannen mit der Messung der molekularen Verdampfung aus einem neondotierten Dodekan-Flachstrahl. Die Forschung ergab, dass die Verdampfung einer Winkelverteilung folgt, die am besten durch eine Kosinusfunktion für Neon- und Dodekanmoleküle angenähert wird. Auch die Geschwindigkeitsverteilung der ausgehenden Neonmoleküle folgt bei der Flüssigkeitstemperatur einer Maxwell-Boltzmann-Verteilung. Dies zeigt eine ungestörte Verdunstung von Neon an. Die Forscher nutzten daher Neonatome, um die Streudynamik an der flüssigen Dodecan-Oberfläche zu untersuchen.
Bei den Streuexperimenten beobachtete das Team zwei Hauptmechanismen: Impulsstreuung (IS) und thermische Desorption (TD). Bei TD werden auf die Oberfläche auftreffende Moleküle vollständig mit der Flüssigkeit thermalisiert und anschließend desorbiert. Dieser Mechanismus hat einen bereits aus den Verdunstungsstudien bekannten Fingerabdruck. Für IS werden jedoch Informationen über die anfängliche Strahlenergie und -richtung teilweise konserviert. Die Forschung nutzte diese Bedingung aus, um die Translationsenergieübertragung von Neon auf die Flüssigkeit zu quantifizieren. Sie zeigten, dass die Art der Energieübertragung mit einem kinematischen Modell der weichen Kugel modelliert werden kann. Dieses Modell ermöglichte es ihnen, die effektive Oberflächenmasse von Dodecan auf 60 amu abzuschätzen, was viel kleiner ist als ein einzelnes Dodecanmolekül (170 amu), was darauf hindeutet, dass nur ein Teil eines Dodecanmoleküls zur Wechselwirkung auf der Kollisionszeitskala beiträgt. Die nächsten Schritte des Teams umfassen die Durchführung von Experimenten zur protischen/aprotischen molekularen Streuung an Dodekan und zur reaktiven Streuung an Wasser.
Chin Lee et al, Evaporation and Molecular Beam Scattering from a Flat Liquid Jet, Das Journal of Physical Chemistry A (2022). DOI: 10.1021/acs.jpca.2c01174