Wetenschappers onder leiding van EPFL hebben een nieuwe methode ontwikkeld om chemische kinetiek te meten door de voortgang van een reactie in beeld te brengen op een vloeistof-vloeistof-interface ingebed in een vloeibare microjet met laminaire stroming. Deze methode is ideaal voor studies van dynamiek op een tijdschaal van minder dan een milliseconde, wat erg moeilijk is met de huidige toepassingen.

"Het is een nieuwe toepassing van zogenaamde platte waterstralen", zegt Andreas Osterwalder van EPFL's School of Basic Sciences. "We maken een gecontroleerd grensvlak tussen twee waterige oplossingen en gebruiken het om de chemische kinetiek te meten."

Met vrij stromende vloeibare microjets kunnen chemici een controleerbaar glad (en in sommige gevallen vlak) oppervlak van een vloeistof creëren dat kan worden gebruikt voor oppervlakteverstrooiing of spectroscopieonderzoek. De vrije stroom van de vloeistof in lucht of in een vacuüm creëert onbelemmerde optische toegang tot gas-vloeistof- en vloeistof-vacuüminterfaces.

Enkele van de belangrijkste toepassingen van microjets zijn röntgenfoto-elektronspectroscopie, verdampingsdynamica, attoseconde-pulsgeneratie en gas-vloeistofchemie. Een populaire implementatie is een enkele cilindrische straal, gemaakt door een vloeistof te dwingen naar buiten te gaan door een mondstuk met een diameter van 10-50 micrometer en onder een druk van enkele bar, wat resulteert in een laminaire straal met een stroomsnelheid van tientallen meters per seconde.

Deze microjets hebben de laatste tijd veel belangstelling gekregen voor vacuümtoepassingen, waarbij de jets vrij kunnen bewegen en enkele millimeters vloeibaar blijven voordat ze in druppeltjes vervallen en bevriezen. "Veel experimenten vereisen een vlak oppervlak dat ongewenste middeling van effecten van het hoekafhankelijke oppervlak voorkomt", zegt Osterwalder. Als gevolg van deze behoefte hebben wetenschappers verschillende arrangementen van vlakke oppervlakken met laminaire stroming ontwikkeld, waardoor zogenaamde vloeibare platte jets worden geproduceerd.

Een gebruikelijke vorm van een dergelijke opstelling is het kruisen van twee cilindrische vloeistofstralen. De resulterende platte straal is een ketting van bladvormige structuren van de stromende vloeistof. De "bladeren" zijn vellen van slechts enkele micron dik, en elk is gebonden door een relatief dikke vloeistofrand en gestabiliseerd door oppervlaktespanning en vloeistoftraagheid.

Op het punt waar de twee cilindrische stralen elkaar kruisen, worden de oplossingen naar buiten geduwd, terwijl ze in een algemene voorwaartse richting blijven bewegen. Maar de oppervlaktespanning van de vloeiende oplossingen werkt dit tegen, zodat uiteindelijk de buitenste grenzen samenvloeien om de "blad" vorm te creëren.

"Deze botsende, vrij stromende jets produceren een bladstructuur, waarbij we veronderstelden dat, vanwege de afwezigheid van turbulenties, de vloeistoffen naast elkaar stromen in het eerste blad en een grensvlak vormen tussen twee vloeistoffen", zegt Osterwalder. "We waren van mening dat dit een uitstekend hulpmiddel zou zijn om toegang te krijgen tot het vloeistof-vloeistofgrensvlak, zelfs van mengbare vloeistoffen - vloeistoffen die homogeen mengen, en zelfs twee monsters van identieke oplosmiddelen."

De wetenschappers testten de flat-jet-opstelling door deze te gebruiken om de kinetiek van de luminol-oxidatie-chemiluminescentiereactie te bestuderen, een glow-in-the-dark-reactie die een blauw licht uitstraalt wanneer de organische verbinding luminol wordt geoxideerd. De reactie is populair bij rechercheurs die op zoek zijn naar sporen van bloed, maar wordt ook veel gebruikt in biologische onderzoeksassays.

Met behulp van de luminolreactie bevestigden de onderzoekers dat de flat-jet inderdaad een vloeistof-vloeistofgrensvlak bevat, in plaats van oplossingen die worden gemengd door turbulente processen, en ze demonstreren een techniek voor chemische kinetiekstudies onder gecontroleerde omstandigheden. Het voordeel van de flat-jet-methode is dat er geen snelle vermenging van oplossingen nodig is, en profiteert van de vrij stromende jets die niet worden verstoord door wrijving op de containerwanden.

"Wij geloven dat dit een veelbelovende benadering is voor het meten van chemische kinetiek op een tijdschaal van minder dan een milliseconde, een bereik dat erg moeilijk te bereiken is met de huidige bestaande technologieën, en om fundamentele dynamiek te bestuderen op vloeistof-vloeistof-interfaces", zegt Osterwalder.

De studie is gepubliceerd in Journal of the American Chemical Society . + Verder verkennen

Onderzoekers maken schakelbare spiegels van vloeibaar metaal