Um jato plano exibindo luminescência azul devido à oxidação do Luminol. A fotografia retrata as folhas formadas pelo cruzamento de dois microjatos de líquido, fluindo da esquerda para a direita, e mostra que a primeira folha é caracterizada pelo fluxo laminar. Como consequência, é formada uma interface líquido-líquido que pode ser usada para medir a cinética química. Crédito:A. Osterwalder (EPFL)
Cientistas liderados pela EPFL desenvolveram um novo método para medir a cinética química através da imagem do progresso de uma reação em uma interface líquido-líquido incorporada em um microjato líquido de fluxo laminar. Este método é ideal para estudos de dinâmica na escala de tempo abaixo de milissegundos, o que é muito difícil de fazer com as aplicações atuais.
"É uma nova aplicação dos chamados jatos planos de água", diz Andreas Osterwalder da Escola de Ciências Básicas da EPFL. "Preparamos uma interface controlada entre duas soluções aquosas e a usamos para medir a cinética química".
Os microjatos líquidos de fluxo livre permitem que os químicos criem uma superfície lisa controlável (e em alguns casos plana) de um líquido que pode ser usada para estudos de dispersão ou espectroscopia de superfície. O fluxo livre do líquido no ar ou no vácuo cria acesso óptico desobstruído às interfaces gás-líquido e líquido-vácuo.
Algumas das principais aplicações dos microjatos incluem espectroscopia de fotoelétrons de raios X, dinâmica de evaporação, geração de pulso de attosegundo e química gás-líquido. Uma implementação popular é um jato cilíndrico único, feito forçando um líquido a sair através de um bocal de 10 a 50 micrômetros de diâmetro e sob uma pressão de alguns bar, resultando em um jato laminar com velocidade de fluxo de dezenas de metros por segundo.
Esses microjatos recentemente atraíram muito interesse para aplicações em vácuo, onde os jatos viajam livremente e permanecem líquidos por alguns milímetros antes de decair em gotículas e congelar. "Muitos experimentos exigem uma superfície plana que evita a média indesejada sobre os efeitos da superfície dependente do ângulo", diz Osterwalder. Como resultado dessa necessidade, os cientistas vêm desenvolvendo diferentes arranjos de superfícies planares de fluxo laminar, produzindo os chamados jatos planos líquidos.
Uma forma comum de tal arranjo é cruzar dois jatos cilíndricos de um líquido. O jato plano resultante é uma cadeia de estruturas em forma de folha do líquido que flui. As "folhas" são folhas de apenas alguns mícrons de espessura, e cada uma é limitada por uma borda de fluido relativamente espessa e estabilizada pela tensão superficial e inércia do fluido.
No ponto em que os dois jatos cilíndricos se cruzam, as soluções são empurradas para fora, enquanto continuam a se mover em uma direção geral para frente. Mas a tensão superficial das soluções fluidas neutraliza isso, então, eventualmente, os limites externos se fundem para criar a forma de "folha".
“Esses jatos impingindo, de fluxo livre, produzem uma estrutura foliar, onde hipotetizamos que, devido à ausência de turbulências, os fluidos fluem lado a lado na primeira folha, formando uma interface entre dois líquidos”, diz Osterwalder. "Acreditamos que isso os tornaria uma excelente ferramenta para obter acesso à interface líquido-líquido, mesmo de fluidos miscíveis - fluidos que se misturam homogeneamente e até duas amostras de solventes idênticos".
Os cientistas testaram o arranjo de jato plano usando-o para estudar a cinética da reação de quimioluminescência de oxidação do luminol, uma reação que brilha no escuro que emite uma luz azul quando o composto orgânico luminol é oxidado. A reação é popular entre os investigadores criminais que procuram vestígios de sangue, mas também é amplamente utilizada em ensaios de pesquisa biológica.
Usando a reação do luminol, os pesquisadores confirmaram que o jato plano realmente contém uma interface líquido-líquido, em vez de soluções que são misturadas por processos turbulentos, e demonstram uma técnica para estudos de cinética química sob condições controladas. A vantagem do método de jato plano é que dispensa a necessidade de mistura rápida de soluções e se beneficia dos jatos de fluxo livre que não são perturbados pelo atrito nas paredes do recipiente.
“Acreditamos que esta é uma abordagem promissora para medir a cinética química na escala de tempo de sub-milissegundos, uma faixa que é muito difícil de alcançar com as tecnologias atualmente existentes, e estudar a dinâmica fundamental em interfaces líquido-líquido”, diz Osterwalder.
O estudo foi publicado no
Journal of the American Chemical Society .
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