Courant vapeur

8 mai 2023

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par Max Planck Society

Les tensioactifs jouent un rôle important dans la vie de tous les jours, par exemple en tant que composants majeurs des savons. Comme ils comportent des parties hydrophiles et hydrophobes dans leur structure, ils s'accumulent aux interfaces de l'eau avec l'air et peuvent y influencer le taux d'évaporation de la solution ou l'efficacité avec laquelle les molécules de gaz sont absorbées par la solution, un processus qui est par exemple important pour l'incorporation de dioxyde de carbone dans les océans.

Comment les tensioactifs s'arrangent-ils à l'interface de l'eau avec l'air est une question intrigante qui fascine les scientifiques depuis des siècles, remontant à Benjamin Franklin qui a noté l'effet calmant de l'huile de cuisson à la surface de l'eau, et Agnes Pockels qui a fait certains des premiers des expériences systématiques sur le sujet à la fin du XIXe siècle.

La question de l'arrangement des molécules de surfactant à l'interface eau-air n'est pas facile à répondre car un examen attentif de la peau même de l'eau liquide nécessite des méthodes qui se concentrent sur les couches externes de l'eau, où les molécules de surfactant sont situées dans une couche d'une épaisseur de quelques milliardièmes de mètre seulement.

Une enquête collaborative de scientifiques des départements de chimie inorganique, de physique moléculaire et de théorie de l'Institut Fritz Haber de Berlin a récemment démontré une nouvelle méthode pour résoudre ce problème, basée sur la diffusion élastique des photoélectrons émis lors de l'irradiation de l'eau - surfactant - interface vapeur par rayons X.

Le tensioactif qu'ils ont étudié était l'acide pentanoïque perfluoré, dans lequel quatre des cinq atomes de carbone peuvent être distingués les uns des autres dans le spectre photoélectronique au niveau du cœur C 1s (enveloppe interne), et en particulier les extrémités hydrophile et hydrophobe de la molécule peuvent être distingués les uns des autres dans l'expérience.

L'acide pentanoïque perfluoré appartient également à la classe des soi-disant «produits chimiques éternels» qui ont récemment fait l'objet d'une attention particulière en tant que principaux polluants dans les eaux naturelles; ces molécules sont difficiles à éliminer et nuisent à l'environnement. Les mesures ont été effectuées sur les sources lumineuses de rayonnement synchrotron BESSY-II à Berlin et SOLEIL près de Paris sur des lignes de rayons X qui permettent de changer la direction de la polarisation linéaire des rayons X.

L'angle entre la direction de la polarisation et le détecteur d'électrons détermine l'intensité du signal électronique détecté. La distribution d'intensité en fonction de l'angle offre un indice sur le nombre de "collisions" élastiques que les électrons ont subies sur leur chemin vers le détecteur d'électrons.

Étant donné que l'eau est un milieu dense, les électrons provenant des parties de la molécule de surfactant qui sont immergées plus profondément dans l'eau subiront une diffusion plus élastique que les électrons qui émergent des parties de la molécule qui dépassent dans l'air, qui est beaucoup moins dense que l'eau. . Les expériences ont montré que la diffusion élastique est suffisamment sensible pour observer des différences dans la diffusion des atomes de carbone voisins dans la molécule, qui ne sont séparés que d'environ un dix milliardième de mètre (0,1 nm).

Alors que les expériences ont qualitativement montré l'orientation attendue de la molécule, avec l'extrémité hydrophobe pointant vers l'air et l'extrémité hydrophile vers l'eau, les expériences seules ne peuvent pas quantifier la position moyenne de la molécule par rapport à l'interface eau-air. Cela a été possible en utilisant des simulations de dynamique moléculaire, qui suivent les trajectoires des molécules d'eau et de surfactant au fil du temps et fournissent un "film" à l'échelle moléculaire.

La position moyenne du tensioactif par rapport à la surface de l'échantillon peut alors être déterminée à partir de nombreux instantanés pris à partir de ce film et comparée aux données de diffusion élastique. Il a été constaté qu'il existe un excellent accord entre les calculs théoriques et les données expérimentales.

Ceci est encourageant pour les futures mesures qui se concentreront sur l'interaction des molécules de surfactant avec les ions dissous dans l'eau, un phénomène présent aux interfaces eau-air de tous les systèmes naturels, y compris les océans, les rivières et les gouttelettes d'aérosols aqueux.

Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters.

Plus d'information: R. Dupuy et al, Résolution en profondeur d'Ångstrom avec spécificité chimique à l'interface liquide-vapeur, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.130.156901

Informations sur la revue :Lettres d'examen physique

Fourni par la société Max Planck