증기 전류

2023년 5월 8일

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계면활성제는 비누의 주요 성분과 같이 일상생활에서 중요한 역할을 합니다. 구조상 친수성 부분과 소수성 부분이 있기 때문에 물과 공기의 경계면에 축적되어 용액의 증발 속도나 가스 분자가 용액에 흡수되는 효율에 영향을 줄 수 있습니다. 이 과정은 예를 들어 중요한 과정입니다. 이산화탄소를 바다에 흡수시키기 위해서입니다.

계면활성제가 물과 공기의 경계면에서 어떻게 배열되는지는 수세기 동안 과학자들을 매료시켰던 흥미로운 질문입니다. 물 표면에 있는 식용유의 진정 효과를 주목한 벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)과 최초의 연구를 수행한 아그네스 포켈스(Agnes Pockels)로 거슬러 올라갑니다. 19세기 후반에 이 주제에 대한 체계적인 실험이 이루어졌습니다.

물-공기 경계면에서 계면활성제 분자의 배열에 대한 질문은 답하기가 쉽지 않습니다. 왜냐하면 액체 물의 표면을 자세히 관찰하려면 계면활성제 분자가 한 층에 위치하는 물의 바깥층에 집중하는 방법이 필요하기 때문입니다. 두께가 수십억분의 1미터에 불과하다.

최근 베를린 프리츠 하버 연구소(Fritz Haber Institute)의 무기화학, 분자물리학 및 이론학과 과학자들의 공동 조사를 통해 물(계면활성제)에 조사할 때 방출되는 광전자의 탄성 산란을 기반으로 이 문제를 해결하는 새로운 방법이 입증되었습니다. X선에 의한 증기 인터페이스.

그들이 연구한 계면활성제는 과불소화 펜탄산이었는데, 이 펜탄산에서는 5개의 탄소 원자 중 4개가 C 1s(내부 껍질) 핵 수준 광전자 스펙트럼에서 서로 구별될 수 있으며, 특히 분자의 친수성과 소수성 말단이 서로 구별될 수 있습니다. 실험에서 서로 구별됩니다.

과불소화 펜탄산은 또한 최근 천연수의 주요 오염물질로 주목을 받고 있는 소위 "영원한 화학물질" 부류에 속합니다. 이러한 분자는 제거하기 어렵고 환경에 해를 끼칩니다. 측정은 X선의 선형 편광 방향을 변경할 수 있는 X선 빔라인에서 베를린의 싱크로트론 방사선 광원 BESSY-II와 파리 근처의 SOLEIL에서 수행되었습니다.

편광 방향과 전자 검출기 사이의 각도에 따라 검출된 전자 신호의 강도가 결정됩니다. 각도에 따른 강도 분포는 전자가 전자 검출기로 이동하는 동안 얼마나 많은 탄성 "충돌"을 경험했는지에 대한 단서를 제공합니다.

물은 밀도가 높은 매질이므로 물에 더 깊이 잠겨 있는 계면활성제 분자 부분에서 발생하는 전자는 물보다 밀도가 훨씬 낮은 공기 중으로 튀어나온 분자 부분에서 나오는 전자보다 더 많은 탄성 산란을 경험하게 됩니다. . 실험에 따르면 탄성 산란은 약 100억분의 1미터(0.1nm) 정도 떨어져 있는 분자 내 이웃 탄소 원자의 산란 차이를 관찰할 수 있을 만큼 민감하다는 사실이 밝혀졌습니다.

실험은 소수성 끝이 공기를 향하고 친수성 끝이 물을 향하는 분자의 예상 방향을 질적으로 보여주었지만, 실험만으로는 물-공기 경계면에 대한 분자의 평균 위치를 정량화할 수 없습니다. 이는 시간이 지남에 따라 물과 계면활성제 분자의 궤적을 따르고 분자 ​​규모의 "영화"를 전달하는 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 가능했습니다.