原標(biāo)題：一種簡(jiǎn)單的方案，解決了物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)

一種簡(jiǎn)單的方案，解決了物理學(xué)的一大挑戰(zhàn)

我們可能都見(jiàn)過(guò)，當(dāng)陽(yáng)光反射到路面混著油的水坑上時(shí)，就會(huì)在表面產(chǎn)生一片扭曲的彩虹。這種現(xiàn)象可以用薄膜干涉原理來(lái)解釋，它描述了光是如何從 液體混合物中的不同 界面，或者說(shuō) 薄膜上發(fā)生反射的。

對(duì)科學(xué)家來(lái)說(shuō)，在這些混合物中發(fā)生的事情遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止漂亮的顏色。產(chǎn)生這些顏色的薄界面對(duì)生物學(xué)、化學(xué)、石油和制藥業(yè)等都有著重大影響，比如，在界面上分離化學(xué)物質(zhì)是化學(xué)凈化過(guò)程的核心。

然而，掌握像油性水坑或者藥物相互作用中的薄界面的基本物理學(xué)，一直是一大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)樗枰芯咳藛T透過(guò)一層又一層的薄膜，對(duì)兩種不同液體（比如油和水）相遇的確切位置進(jìn)行準(zhǔn)確觀察，而這相當(dāng)困難。

現(xiàn)在，一組科學(xué)家可能已經(jīng)找到了一種解決方案。通過(guò)向著相對(duì)的方向噴射水和油，他們創(chuàng)造了只有幾百個(gè)原子厚的液體層。這種方法使他們可以更清楚地看到在液體相互作用的界面上發(fā)生了什么。團(tuán)隊(duì)近日在《朗繆爾》上報(bào)道了他們的發(fā)現(xiàn)。

化學(xué)油醋汁

在生物學(xué)和化學(xué)中，兩種東西之間的相互作用會(huì)發(fā)生在兩者相遇的邊界，或者叫界面。舉個(gè)例子，在病毒進(jìn)入細(xì)胞之前，它的外殼必須與細(xì)胞的膜融合。一個(gè)更日常的例子發(fā)生在沒(méi)有攪拌混合的沙拉醬中，油和水分子只在兩種液體之間的邊界處發(fā)生相互作用。

界面是化學(xué)和生物學(xué)在分子水平上的“所有行動(dòng)”的發(fā)生地，液體界面可以決定反應(yīng)速率或者混合程度等基本變量，但界面本身只有幾個(gè)原子厚，這就讓研究界面成了“幾乎不可能的任務(wù)”。因?yàn)樵趦煞N液體的界面兩側(cè)，還存在著大量分子?？梢赃@么理解，大量分子會(huì)淹沒(méi)來(lái)自界面本身的信號(hào)，從而在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中制造大量的噪聲。

在新研究中，團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)將液體體積減少到只有幾納米厚來(lái)降低噪聲。為此，他們以每秒1到10米的速度，從“微流體”噴嘴中噴射出水和油的噴流，并將它們混合到一起，形成一個(gè)薄薄的液面。

隨后，他們向這個(gè)薄片發(fā)射紅外光，并研究通過(guò)的光的光譜（也就是一種被稱為紅外光譜學(xué)的技術(shù)），從而了解界面處究竟發(fā)生了什么。

在他們使用微流體噴嘴的第一次測(cè)試中，團(tuán)隊(duì)只噴射了水，而沒(méi)有油，這是為了測(cè)試在流動(dòng)的液體薄片上進(jìn)行光譜學(xué)分析的可行性。他們可以根據(jù)水與光的相互作用中的一些眾所周知的特性來(lái)檢驗(yàn)得到的結(jié)果。

盡管如此，他們?nèi)圆淮_定實(shí)驗(yàn)在多種液體的情況下會(huì)如何運(yùn)作，因此在核心實(shí)驗(yàn)中，他們嘗試噴射出三股噴流，其中兩股是油，一股是水，以及反過(guò)來(lái)的情況。這些液體被校準(zhǔn)成在它們離開(kāi)噴嘴時(shí)恰好相遇，形成了一片薄薄的液體。

他們起初認(rèn)為，這些液體可能是橫向分隔的，可能一邊是一種液體，一邊是另一種液體。但事實(shí)上，紅外光譜分析揭示了薄片的每一部分有哪些分子。他們驚訝地發(fā)現(xiàn)，在任何一種情況下，一種液體都被完全被包圍在了另一種液體中?？偸且黄耆灰黄退鼑?，反之亦然。

實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造出的彩虹圖案。（圖/David Hoffman, SLAC National Accelerator Laboratory）

研究人員還清晰地看到了彩虹色的波狀圖案，這表明，他們的確沒(méi)有創(chuàng)造出油和水的乳狀液，而是明確地發(fā)生了分層——有時(shí)，漂亮的圖像也是科學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵部分。

彩虹物理學(xué)

制造出非常光滑且平坦的界面是光譜學(xué)的一個(gè)完美目標(biāo)。這項(xiàng)研究證明，他們實(shí)際上已經(jīng)可以用明確可行的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)做到這一點(diǎn)。接下來(lái)，他們希望使用SLAC的直線加速器相干光源（LCLS）進(jìn)行X射線光譜學(xué)分析，以此來(lái)提高對(duì)界面化學(xué)本身的理解。

研究人員表示，他們的方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)這些界面的一系列新的光譜測(cè)量，它們基本上是目前的技術(shù)所不能實(shí)現(xiàn)的。這些光譜測(cè)量讓科學(xué)家能詳細(xì)地追蹤單個(gè)顏色的光，從而深入了解分子的基本結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)還可以讓他們觀察材料相互作用時(shí)發(fā)生的實(shí)時(shí)化學(xué)反應(yīng)。

實(shí)施這些方法所需的設(shè)備既便宜又小，而且在X射線實(shí)驗(yàn)和電子顯微鏡中只需要幾個(gè)小時(shí)就能完成設(shè)置，這會(huì)讓更多的研究人員更輕松地研究液體界面，從而推動(dòng)更多領(lǐng)域的發(fā)展。他們也已經(jīng)開(kāi)始行動(dòng)，幫助其他科學(xué)家將這類方法納入其他實(shí)驗(yàn)中。

參考來(lái)源：

https://www6.slac.stanford.edu/news/2022-11-30-shining-new-light-oil-slick-rainbows-and-other-thin-layer-physics

封面圖&首圖：David Hoffman/SLAC National Accelerator Laboratory返回搜狐，查看更多

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