Los científicos dirigidos por la EPFL han desarrollado un nuevo método para medir la cinética química al generar imágenes del progreso de una reacción en una interfaz líquido-líquido integrada en un microchorro de líquido de flujo laminar. Este método es ideal para estudios de dinámica en la escala de tiempo de submilisegundos, lo cual es muy difícil de hacer con las aplicaciones actuales.

"Es una nueva aplicación de los llamados chorros planos de agua", dice Andreas Osterwalder de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL. "Preparamos una interfaz controlada entre dos soluciones acuosas y la usamos para medir la cinética química".

Los microchorros de líquido de flujo libre permiten a los químicos crear una superficie lisa controlable (y en algunos casos plana) de un líquido que se puede utilizar para estudios de espectroscopia o dispersión de superficie. El flujo libre del líquido en el aire o en el vacío crea un acceso óptico sin obstrucciones a las interfaces gas-líquido y líquido-vacío.

Algunas de las principales aplicaciones de los microjets incluyen la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X, la dinámica de evaporación, la generación de pulsos de attosegundos y la química de gases y líquidos. Una implementación popular es un solo chorro cilíndrico, que se hace forzando la salida de un líquido a través de una boquilla de 10 a 50 micrómetros de diámetro y bajo una presión de unos pocos bares, lo que da como resultado un chorro laminar con una velocidad de flujo de decenas de metros por segundo.

Estos microchorros han ganado mucho interés recientemente para aplicaciones en vacío, donde los chorros viajan libremente y permanecen líquidos durante algunos milímetros antes de descomponerse en gotas y congelarse. "Muchos experimentos requieren una superficie plana que evite el promedio no deseado sobre los efectos de la superficie dependiente del ángulo", dice Osterwalder. Como resultado de esta necesidad, los científicos han estado desarrollando diferentes arreglos de superficies planas de flujo laminar, produciendo los llamados chorros planos líquidos.

Una forma común de tal arreglo es cruzar dos chorros cilíndricos de un líquido. El chorro plano resultante es una cadena de estructuras en forma de hoja del líquido que fluye. Las "hojas" son láminas de solo unas pocas micras de espesor, y cada una está unida por un borde de fluido relativamente grueso y estabilizada por la tensión superficial y la inercia del fluido.

En el punto donde se cruzan los dos chorros cilíndricos, las soluciones son empujadas hacia afuera, mientras continúan moviéndose en una dirección general hacia adelante. Pero la tensión superficial de las soluciones que fluyen contrarresta esto, por lo que eventualmente los límites exteriores se fusionan para crear la forma de "hoja".

"Estos chorros que chocan y fluyen libremente producen una estructura de hoja, donde planteamos la hipótesis de que, debido a la ausencia de turbulencias, los fluidos fluyen uno al lado del otro en la primera hoja, formando una interfaz entre dos líquidos", dice Osterwalder. "Creímos que esto los convertiría en una excelente herramienta para obtener acceso a la interfaz líquido-líquido, incluso de fluidos miscibles, fluidos que se mezclan de manera homogénea e incluso dos muestras de solventes idénticos".

Los científicos probaron la disposición de chorro plano utilizándola para estudiar la cinética de la reacción de quimioluminiscencia de oxidación del luminol, una reacción que brilla en la oscuridad y emite una luz azul cuando se oxida el compuesto orgánico luminol. La reacción es popular entre los investigadores criminales que buscan rastros de sangre, pero también se usa ampliamente en ensayos de investigación biológica.

Usando la reacción del luminol, los investigadores confirmaron que el chorro plano contiene una interfaz líquido-líquido, en lugar de soluciones mezcladas por procesos turbulentos, y demuestran una técnica para estudios de cinética química en condiciones controladas. La ventaja del método de chorro plano es que elimina la necesidad de mezclar rápidamente las soluciones y se beneficia de los chorros de flujo libre que no se ven perturbados por la fricción en las paredes del recipiente.

"Creemos que este es un enfoque prometedor para medir la cinética química en la escala de tiempo de submilisegundos, un rango que es muy difícil de alcanzar con las tecnologías existentes actualmente, y para estudiar la dinámica fundamental en las interfaces líquido-líquido", dice Osterwalder.

El estudio se publica en Journal of the American Chemical Society . + Explora más

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