Une nouvelle méthode examine l’interface gaz-liquide dans de nouveaux détails

L’interface entre les gaz et les liquides se retrouve partout dans la nature. Il est également important pour de nombreux procédés industriels. Pour améliorer la compréhension de l’interface gaz-liquide, les chercheurs ont développé un appareil pour étudier les réactions entre les molécules de gaz et les liquides hautement volatils avec de nouveaux niveaux de détail. Il utilise un faisceau moléculaire qui est dirigé sur une surface liquide plane. Lorsque le faisceau se diffuse, un détecteur collecte des données sur la vitesse, la direction et la masse des molécules dans le faisceau diffusé. Cela permet aux chercheurs de déduire les changements liés à l’interaction du gaz et du liquide. Pour évaluer la faisabilité de cette nouvelle approche, les chercheurs ont étudié l’interaction entre le gaz rare néon et le dodécane liquide.

L’interface entre la phase gazeuse et la phase liquide est un environnement chimique unique. Il est important de comprendre les réactions chimiques dans l’atmosphère terrestre et comment le carbone se déplace entre l’air et la surface de la mer. Dans les environnements industriels, cette interface affecte la façon dont l’air et le carburant se mélangent dans les moteurs à combustion interne et d’autres applications. Le nouvel appareil de diffusion à jet plat ouvre de nouvelles opportunités pour les études d’interface gaz-liquide de liquides volatils. Les scientifiques peuvent désormais étudier les réactions des molécules à la surface de l’eau liquide avec une résolution au niveau moléculaire. Les chercheurs prévoient d’utiliser cette méthode pour étudier la formation des pluies acides et des molécules liées à la pollution de l’air.

Cette recherche rapporte les premiers résultats d’un appareil de diffusion à jet plat nouvellement conçu. Les chercheurs, dont des scientifiques de l’Université de Californie à Berkeley ; Laboratoire national Lawrence Berkeley ; l’Institut Fritz Haber de la Société Max Planck; l’Institut Leibniz d’ingénierie des surfaces ; et l’Université de Leipzig, ont démontré la faisabilité de l’appareil en étudiant le système de diffusion du dodécane liquide au néon. Ils ont commencé par mesurer l’évaporation moléculaire d’un jet plat de dodécane dopé au néon. La recherche a révélé que l’évaporation suit une distribution angulaire qui est mieux approchée par une fonction cosinus pour les molécules de néon et de dodécane. De plus, la distribution de vitesse des molécules de néon sortantes suit une distribution de Maxwell-Boltzmann à la température du liquide. Cela indique une évaporation non perturbée du néon. Les chercheurs ont donc utilisé des atomes de néon pour sonder la dynamique de diffusion à la surface du dodécane liquide.

Dans les expériences de diffusion, l’équipe a observé deux mécanismes principaux : la diffusion impulsive (IS) et la désorption thermique (TD). Dans TD, les molécules frappant la surface se thermalisent complètement avec le liquide et se désorbent ensuite. Ce mécanisme a une empreinte déjà connue des études d’évaporation. Pour IS, cependant, les informations sur l’énergie et la direction initiales du faisceau sont partiellement conservées. La recherche a exploité cette condition pour quantifier le transfert d’énergie translationnelle du néon au liquide. Ils ont montré que la nature du transfert d’énergie peut être modélisée avec un modèle cinématique à sphère molle. Ce modèle leur a permis d’estimer la masse de surface effective du dodécane à 60 amu, ce qui est beaucoup plus petit qu’une seule molécule de dodécane (170 amu), indiquant ainsi que seule une partie d’une molécule de dodécane contribue à l’interaction à l’échelle de temps de collision. Les prochaines étapes de l’équipe comprennent la réalisation d’expériences liées à la diffusion moléculaire protique/aprotique du dodécane et à la diffusion réactive de l’eau.