我们可能都见过，当阳光反射到路面混着油的水坑上时，就会在表面产生一片扭曲的彩虹。这种现象可以用薄膜干涉原理来解释，它描述了光是如何从液体混合物中的不同界面，或者说薄膜上发生反射的。
对科学家来说，在这些混合物中发生的事情远远不止漂亮的颜色。产生这些颜色的薄界面对生物学、化学、石油和制药业等都有着重大影响，比如，在界面上分离化学物质是化学净化过程的核心。
然而，掌握像油性水坑或者药物相互作用中的薄界面的基本物理学，一直是一大挑战。这是因为它需要研究人员透过一层又一层的薄膜，对两种不同液体（比如油和水）相遇的确切位置进行准确观察，而这相当困难。
现在，一组科学家可能已经找到了一种解决方案。通过向着相对的方向喷射水和油，他们创造了只有几百个原子厚的液体层。这种方法使他们可以更清楚地看到在液体相互作用的界面上发生了什么。团队近日在《朗缪尔》上报道了他们的发现。
化学油醋汁
在生物学和化学中，两种东西之间的相互作用会发生在两者相遇的边界，或者叫界面。举个例子，在病毒进入细胞之前，它的外壳必须与细胞的膜融合。一个更日常的例子发生在没有搅拌混合的沙拉酱中，油和水分子只在两种液体之间的边界处发生相互作用。
界面是化学和生物学在分子水平上的“所有行动”的发生地，液体界面可以决定反应速率或者混合程度等基本变量，但界面本身只有几个原子厚，这就让研究界面成了“几乎不可能的任务”。因为在两种液体的界面两侧，还存在着大量分子。可以这么理解，大量分子会淹没来自界面本身的信号，从而在实验数据中制造大量的噪声。
在新研究中，团队希望通过将液体体积减少到只有几纳米厚来降低噪声。为此，他们以每秒1到10米的速度，从“微流体”喷嘴中喷射出水和油的喷流，并将它们混合到一起，形成一个薄薄的液面。
随后，他们向这个薄片发射红外光，并研究通过的光的光谱（也就是一种被称为红外光谱学的技术），从而了解界面处究竟发生了什么。
在他们使用微流体喷嘴的第一次测试中，团队只喷射了水，而没有油，这是为了测试在流动的液体薄片上进行光谱学分析的可行性。他们可以根据水与光的相互作用中的一些众所周知的特性来检验得到的结果。
尽管如此，他们仍不确定实验在多种液体的情况下会如何运作，因此在核心实验中，他们尝试喷射出三股喷流，其中两股是油，一股是水，以及反过来的情况。这些液体被校准成在它们离开喷嘴时恰好相遇，形成了一片薄薄的液体。
他们起初认为，这些液体可能是横向分隔的，可能一边是一种液体，一边是另一种液体。但事实上，红外光谱分析揭示了薄片的每一部分有哪些分子。他们惊讶地发现，在任何一种情况下，一种液体都被完全被包围在了另一种液体中。总是一片水完全被一片油所包围，反之亦然。
实验中创造出的彩虹图案。（图/David Hoffman, SLAC National Accelerator Laboratory）
研究人员还清晰地看到了彩虹色的波状图案，这表明，他们的确没有创造出油和水的乳状液，而是明确地发生了分层——有时，漂亮的图像也是科学中的一个关键部分。
彩虹物理学
制造出非常光滑且平坦的界面是光谱学的一个完美目标。这项研究证明，他们实际上已经可以用明确可行的实验方法来做到这一点。接下来，他们希望使用SLAC的直线加速器相干光源（LCLS）进行X射线光谱学分析，以此来提高对界面化学本身的理解。
研究人员表示，他们的方法可以实现对这些界面的一系列新的光谱测量，它们基本上是目前的技术所不能实现的。这些光谱测量让科学家能详细地追踪单个颜色的光，从而深入了解分子的基本结构。这些技术还可以让他们观察材料相互作用时发生的实时化学反应。
实施这些方法所需的设备既便宜又小，而且在X射线实验和电子显微镜中只需要几个小时就能完成设置，这会让更多的研究人员更轻松地研究液体界面，从而推动更多领域的发展。他们也已经开始行动，帮助其他科学家将这类方法纳入其他实验中。
#创作团队：
编译：Gaviota
排版：雯雯
#参考来源：
https://www6.slac.stanford.edu/news/2022-11-30-shining-new-light-oil-slick-rainbows-and-other-thin-layer-physics
#图片来源：
封面图&首图：David Hoffman/SLAC National Accelerator Laboratory
发表于 2022-12-18 01:18
收藏
分享