Лазерный мир

Британские химики нашли новый способ расслоения смеси жидкостей на отдельные фазы с помощью облучения ее лазером. Этот переход никак не связан с изменением температуры смеси, поэтому отличается от традиционного фототермического расслоения, при котором фазовое разделение вызывается просто нагреванием, пишут ученые в Nature Chemistry.

Control over phase separation and nucleation using a laser-tweezing potential

Control over the nucleation of new phases is highly desirable but elusive. Even though there is a long history of crystallization engineering by varying physicochemical parameters, controlling which polymorph crystallizes or whether a molecule crystallizes or forms an amorphous precipitate is still a poorly understood practice. Although there are now numerous examples of control using laser-induced nucleation, the absence of physical understanding is preventing progress.

https://www.nature.com/articles/s41557-018-0009-8

Один из способов вызвать фазовый переход в жидкости (например, кристаллизацию, образование аморфного вещества или расслоение смеси жидкости на отдельные фазы) — облучить ее светом. Как правило, в таком случае лазер используется для запуска фотохимических процессов, однако если химический состав при переходе не должен измениться, то его можно провести и по чисто физическим механизмам. В простейшем варианте это нагревание жидкости под действием света, которое приводит к необходимому изменению фазы, но в некоторых случаях картина намного интереснее. Например, облучение жидкости короткими наносекундными лазерными импульсами может привести к образованию аморфной или кристаллической фазы и без нагрева, а при использовании света с различной поляризацией можно вызвать кристаллизацию разных кристаллических модификаций одного вещества. Однако точные механизмы большинства из этих процессов до сих до конца не описаны, поэтому управлять ими тоже удается далеко не всегда.

Химики Финли Уолтон (Finlay Walton) и Клаас Уайн (Klaas Wynne) из Университета Глазго предложили новый способ вызвать фазовый переход в жидкости с помощью лазера и описали его теоретически. Для фазового расслоения смеси двух жидкостей ученые использовали низкоэнергетический лазерный пучок оптического пинцета, которым они облучали однородную смесь двух органических жидкостей: нитробензола и декана — находящуюся в состоянии, близком к критическому. Известно, что при мольном соотношении 57 процентов нитробензола к 43 процентам декана при температурах выше 23 градусов Цельсия эти две жидкости образуют однородную смесь. Однако если температуру опустить ниже этого значения, то начинается ее фазовое расслоение.

В своем эксперименте ученые поместили однородную смесь (при температуре выше температуры расслоения) в замкнутую термостатированную камеру высотой 12 микрометров так, что раствор находился в ней в виде тонкой пленки. Эту пленку химики облучали лазером мощностью до 200 милливатт и длиной волны 785 нанометров.

Схема эксперимента по фазовому разделению смеси жидкостей
F. Walton & K. Wynne/ Nature Chemistry, 2018

Анализ оптических свойств смеси (в частности, измерение коэффициента преломления) показал, что облучение приводит к фазовому расслоению однородной смеси в области лазерного пучка. При этом происходит образование двух фаз: чистого нитробензола и раствора нитробензола в декане, но меньшей концентрации, чем в начальной смеси. Для количественного описания процесса величину эффекта расслоения (который авторы работы определяли по средней интенсивности изображения, полученного с помощью фазово-контрастной оптической микроскопии, в области капли) связали начальной температурой смеси и мощностью излучения.

Оказалось, что чем ближе начальная температура была к температуре расслоения, тем интенсивнее расслоение, при этом его величина обратно пропорциональна разнице между действительной температурой жидкости и температурой фазового перехода. При возрастании мощности излучения величина эффекта сначала линейно увеличивается, после чего выходит на насыщение.

Изображения капли нитробензола, образовавшейся в результате фазового расслоения под действием лазера. Изображения получены с помощью фазоконтрастной оптической микроскопии (слева) и флуоресцентной микроскопии (справа). На графиках приведена зависимость яркости изображения в зависимости от расстояния от центра
F. Walton & K. Wynne/ Nature Chemistry, 2018

Для объяснения эффекта ученые предложили простую теоретическую модель, которая связывает электромагнитную энергию лазерного пучка со свободной энергией, необходимой для образования новой фазы. По описываемому моделью механизму облучение лазером приводит к флуктуациям концентрации компонентов смеси, так что в некоторых областях она становится выше критического значения и приводит к нуклеации новой фазы.
Авторы работы отмечают, что описанный ими процесс отличается от фототермического лазерного расслоения, при котором гетерогенная смесь становится устойчивой выше определенной температуры, а к разделению жидкости на две фазы приводит просто нагревание жидкости под действием лазера. По словам ученых, описанный ими метод фазового расслоения жидкостей принципиально отличается от предыдущих подходов и предлагает новый способ управления фазовым составом вещества.

Возможность управления процессами расслоения смесей двух или нескольких жидкостей часто оказывается важной и для промышленных процессов. В частности, именно с использованием контролируемого расслоения вблизи критической точки ученые предлагают очищать воду от водорастворимых примесей вблизи нефтяных разливов.

Источник: https://nplus1.ru/news/2018/03/07/unmixing-laser