corrente de vapor

8 de maio de 2023

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por Sociedade Max Planck

Os surfactantes desempenham um papel importante na vida diária, por exemplo, como componentes principais em sabões. Por apresentarem partes hidrofílicas e hidrofóbicas em sua estrutura, eles se acumulam nas interfaces da água com o ar e podem influenciar a taxa de evaporação da solução ou a eficiência com que as moléculas de gás são absorvidas pela solução, um processo que é, por exemplo, importante para a incorporação de dióxido de carbono nos oceanos.

Como os surfactantes se organizam na interface da água com o ar é uma questão intrigante que fascina os cientistas há séculos, desde Benjamin Franklin, que observou o efeito calmante do óleo de cozinha na superfície da água, e Agnes Pockels, que fez alguns dos primeiros experimentos sistemáticos sobre o assunto no final do século XIX.

A questão do arranjo das moléculas de surfactante na interface água-ar não é fácil de responder, uma vez que um olhar mais atento para a própria pele da água líquida requer métodos que se concentram nas camadas externas da água, onde as moléculas de surfactante estão localizadas em uma camada com uma espessura de apenas alguns bilionésimos de metro.

Uma investigação colaborativa de cientistas dos Departamentos de Química Inorgânica, Física Molecular e Teoria do Fritz Haber Institute em Berlim demonstrou recentemente um novo método para resolver esse problema, baseado no espalhamento elástico de fotoelétrons que são emitidos após a irradiação da água - surfactante - interface de vapor por raios-X.

O surfactante que eles estudaram foi o ácido pentanóico perfluorado, no qual quatro dos cinco átomos de carbono podem ser distinguidos uns dos outros no espectro de fotoelétrons do núcleo C 1s (invólucro interno) e, em particular, as extremidades hidrofílicas e hidrofóbicas da molécula podem ser distinguidos uns dos outros no experimento.

O ácido pentanóico perfluorado também pertence à classe dos chamados "produtos químicos eternos" que recentemente passaram a ser os principais poluentes em águas naturais; essas moléculas são difíceis de remover e causam danos ao meio ambiente. As medições foram realizadas nas fontes de luz de radiação síncrotron BESSY-II em Berlim e SOLEIL perto de Paris em linhas de raios-X que permitem mudar a direção da polarização linear dos raios-X.

O ângulo entre a direção da polarização e o detector de elétrons determina a intensidade do sinal de elétron detectado. A distribuição de intensidade em função do ângulo oferece uma pista sobre quantas "colisões" elásticas os elétrons experimentaram em seu caminho para o detector de elétrons.

Como a água é um meio denso, os elétrons originados nas partes da molécula do surfactante que estão imersas mais profundamente na água sofrerão um espalhamento mais elástico do que os elétrons que emergem das partes da molécula que se projetam para o ar, que é muito menos denso que a água . Os experimentos mostraram que o espalhamento elástico é sensível o suficiente para observar diferenças no espalhamento dos átomos de carbono vizinhos na molécula, que estão separados apenas por cerca de um décimo bilionésimo de metro (0,1 nm).

Enquanto os experimentos mostraram qualitativamente a orientação esperada da molécula, com a extremidade hidrofóbica apontando para o ar e a extremidade hidrofílica para a água, os experimentos por si só não podem quantificar a posição média da molécula em relação à interface água-ar. Isso foi possível por meio de simulações de dinâmica molecular, que seguem as trajetórias das moléculas de água e surfactante ao longo do tempo e fornecem um "filme" em escala molecular.