颠覆教科书:油和水可以混合了!研究人员开发了一种超快光学技术

2021年12月16日 阅读量:4

常见的经验告诉我们,油和水不会混合。然而,事实证明,当油以小液滴形式分散在水中时,它们可以混合。这种奇怪的行为长期以来一直困扰着科学家,因为没有任何解释。EPFL 和 ICTP 的一组科学家使用新型光学技术研究了这个问题,并发现了这两种中性且不混溶的化合物实际上可以混合在一起形成乳液的机制,答案在于界面处的电荷分布。

 

一百多年来,化学家一直在思考这个问题:在没有任何稳定分子的情况下,微小的油滴如何存在于水中?

 

“毕竟,水分子之间具有如此强烈和有利的相互作用,以至于它们不喜欢将不参与这些相互作用的分子结合起来,”该研究的首席研究员 Sylvie Roke 教授说。

 

 

事实上,油和水在简单混合时彼此分离。然而,当以超声波形式输入足够的能量时,尺寸小于 1 微米的油滴会在纯水中形成并持续存在数周或数月。奇怪的是,当置于电场中时,液滴会向正极移动。因此,混合中性油和中性水会产生带负电的油滴。不出所料,这一意外指控的来源引起了激烈的争论。

 

EPFL 工程学院基础生物光子学 (LBP) 实验室的科学家团队由教授领导。Roke 与国际理论物理中心 (ICTP) 的 Ali Hassanali 博士合作,的里雅斯特通过研究液滴界面油和水的电荷和分子结构,找到了负电荷的来源。他们的结果已发表在《科学》杂志上。

 

 

事实证明,这个长期存在的谜题的答案在于油滴和水之间的界面。水分子更喜欢通过称为氢键的相互作用从邻居那里捐赠和接受电荷。然而,当它们靠近液滴表面的油分子时,它们就再也找不到足够的水来与之形成氢键。相反,这些水分子将它们不平衡的电荷贡献给液滴表面的油分子。该研究表明,水-油相互作用是通过所谓的不当氢键发生的。这是油和水之间的弱氢键,尽管很弱——其中许多会稳定液滴。

 

为了解开这种机制,Roke 的团队使用了一种超快光学技术。

 

罗克解释指出:两个超短激光脉冲重叠在油滴和水的混合物上。当我们这样做时,会产生新的光子并从液滴界面散射。这些光子具有两个入射激光束的总频率,并报告振动键在界面上,即界面分子内原子的运动。这告诉我们油和水之间的结构和相互作用。在分子尺度上,油滴和水之间的界面与涉及蛋白质折叠或生物膜形成的界面有很强的相似性。因此,这些关于油滴/水界面结构的发现 不仅满足了我们对水的复杂性的好奇心,而且对理解整个生物学和化学中的相互作用也有影响。

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