Corrente di vapore

8 maggio 2023

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dalla Società Max Planck

I tensioattivi svolgono un ruolo importante nella vita di tutti i giorni, ad esempio come componenti principali dei saponi. Poiché presentano parti idrofile e idrofobe nella loro struttura, si accumulano nelle interfacce tra acqua e aria e lì possono influenzare la velocità di evaporazione della soluzione o l'efficienza con cui le molecole di gas vengono assorbite dalla soluzione, un processo che è ad esempio importante per l’incorporazione dell’anidride carbonica negli oceani.

Il modo in cui i tensioattivi si dispongono all'interfaccia dell'acqua con l'aria è una questione intrigante che affascina gli scienziati da secoli, fin da Benjamin Franklin che notò l'effetto calmante dell'olio da cucina sulla superficie dell'acqua, e Agnes Pockels che fece alcuni dei primi esperimenti. esperimenti sistematici sull’argomento alla fine del XIX secolo.

Non è facile rispondere alla questione della disposizione delle molecole di tensioattivo all’interfaccia acqua-aria poiché uno sguardo da vicino alla pelle stessa dell’acqua liquida richiede metodi che si concentrino sugli strati esterni dell’acqua, dove le molecole di tensioattivo si trovano in uno strato con uno spessore di pochi miliardesimi di metro.

Uno studio collaborativo di scienziati dei Dipartimenti di Chimica Inorganica, Fisica Molecolare e Teoria dell’Istituto Fritz Haber di Berlino ha recentemente dimostrato un nuovo metodo per affrontare questo problema, basato sulla diffusione elastica dei fotoelettroni emessi in seguito all’irradiazione dell’acqua (tensioattivo). interfaccia del vapore mediante raggi X.

Il tensioattivo da loro studiato era l'acido pentanoico perfluorurato, in cui quattro dei cinque atomi di carbonio possono essere distinti l'uno dall'altro nello spettro fotoelettronico a livello del nucleo C 1s (guscio interno), e in particolare le estremità idrofile e idrofobiche della molecola possono essere distinti gli uni dagli altri nell'esperimento.

L'acido pentanoico perfluorurato appartiene anche alla classe dei cosiddetti "sostanze chimiche per sempre" che recentemente si sono spostate all'attenzione come principali inquinanti nelle acque naturali; queste molecole sono difficili da rimuovere e causano danni all’ambiente. Le misurazioni sono state eseguite presso le sorgenti luminose di radiazione di sincrotrone BESSY-II a Berlino e SOLEIL vicino a Parigi su linee di luce a raggi X che consentono di modificare la direzione della polarizzazione lineare dei raggi X.

L'angolo tra la direzione della polarizzazione e il rilevatore di elettroni determina l'intensità del segnale elettronico rilevato. La distribuzione dell'intensità in funzione dell'angolo offre un indizio su quante "collisioni" elastiche hanno subito gli elettroni nel loro percorso verso il rilevatore di elettroni.

Poiché l’acqua è un mezzo denso, gli elettroni che hanno origine in quelle parti della molecola del tensioattivo che sono immerse più in profondità nell’acqua subiranno una diffusione più elastica rispetto agli elettroni che emergono dalle parti della molecola che sporgono nell’aria, che è molto meno densa dell’acqua. . Gli esperimenti hanno dimostrato che la diffusione elastica è sufficientemente sensibile da osservare le differenze nella diffusione degli atomi di carbonio vicini nella molecola, che sono separati solo da circa un decimiliardesimo di metro (0,1 nm).

Sebbene gli esperimenti abbiano mostrato qualitativamente l’orientamento previsto della molecola, con l’estremità idrofobica che punta verso l’aria e l’estremità idrofila verso l’acqua, gli esperimenti da soli non possono quantificare la posizione media della molecola rispetto all’interfaccia acqua-aria. Ciò è stato possibile utilizzando simulazioni di dinamica molecolare, che seguono le traiettorie delle molecole di acqua e tensioattivo nel tempo e forniscono un "filmato" su scala molecolare.