蒸気流

2023 年 5 月 8 日

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マックス・プランク協会著

界面活性剤は、石鹸の主成分としてなど、日常生活において重要な役割を果たしています。 それらはその構造内に親水性部分と疎水性部分を特徴とするため、それらは水と空気の界面に蓄積し、溶液の蒸発速度や気体分子が溶液に取り込まれる効率、たとえば重要なプロセスに影響を与える可能性があります。二酸化炭素を海洋に取り込むためです。

界面活性剤が水と空気の界面でどのように配置されるかは、水面における食用油の鎮静効果に注目したベンジャミン・フランクリンや、最初の研究のいくつかを行ったアグネス・ポッケルスにまで遡り、何世紀にもわたって科学者を魅了してきた興味深い問題です。 19世紀後半には、このテーマに関する体系的な実験が行われました。

水と空気の界面における界面活性剤分子の配置の問題に答えるのは簡単ではありません。なぜなら、液体の水の表面を詳しく観察するには、界面活性剤分子が層の中に位置する水の外層に焦点を当てる方法が必要だからです。厚さはわずか10億分の1メートルです。

ベルリンのフリッツ・ハーバー研究所の無機化学、分子物理学、理論の各部門の科学者らの共同研究は最近、水（界面活性剤）の照射時に放出される光電子の弾性散乱に基づいて、この問題に対処する新しい方法を実証した。 X線による蒸気界面の観察。

彼らが研究した界面活性剤は過フッ素化ペンタン酸で、5 つの炭素原子のうち 4 つは C 1s (内殻) コアレベルの光電子スペクトルで互いに区別でき、特に分子の親水性末端と疎水性末端は区別できます。実験で互いに区別することができます。

過フッ素化ペンタン酸もいわゆる「永遠の化学物質」の部類に属し、天然水の主な汚染物質として最近注目を集めています。 これらの分子は除去が難しく、環境に悪影響を及ぼします。 測定は、ベルリンのシンクロトロン放射光源 BESSY-II とパリ近郊の SOLEIL で、X 線の直線偏光の方向を変更できる X 線ビームラインで実行されました。

偏光の方向と電子検出器の間の角度によって、検出される電子信号の強度が決まります。 角度の関数としての強度分布は、電子が電子検出器に向かう途中で何回の弾性「衝突」を経験したかについての手掛かりを提供します。

水は高密度の媒体であるため、水の奥深くに浸された界面活性剤分子の部分から発生する電子は、水より密度がはるかに低い空気中に突き出た分子の部分から発生する電子よりも弾性散乱が大きくなります。 。 実験の結果、弾性散乱は分子内の隣接する炭素原子からの散乱の違いを観察できるほど感度が高いことがわかりました。炭素原子間の距離はわずか 100 億分の 1 メートル (0.1 nm) しか離れていません。

実験では、疎水性端が空気の方向を向き、親水性端が水の方向を向いているという分子の予想された配向が定性的に示されましたが、実験だけでは水と空気の界面に対する分子の平均位置を定量化することはできません。 これは、水と界面活性剤の分子の軌跡を経時的に追跡し、分子スケールの「動画」を提供する分子動力学シミュレーションを使用することで可能になりました。

サンプル表面に対する界面活性剤の平均位置は、その映画から撮影された多くのスナップショットから決定され、弾性散乱データと比較されます。 理論計算と実験データの間には優れた一致があることがわかりました。

これは、界面活性剤分子と水中の溶存イオンとの相互作用に焦点を当てた将来の測定にとって心強いものであり、この現象は、海、川、水性エアロゾル液滴を含むすべての自然系の水と空気の界面に存在する現象である。

この研究結果は、ジャーナル「Physical Review Letters」に掲載されています。

詳しくは： R. Dupuy et al、液体-蒸気界面における化学特異性を伴うオングストローム深度分解能、Physical Review Letters (2023)。 DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.156901

雑誌情報:物理的なレビューレター

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