Des scientifiques dirigés par l'EPFL ont développé une nouvelle méthode pour mesurer la cinétique chimique en imageant la progression d'une réaction à une interface liquide-liquide intégrée dans un microjet liquide à flux laminaire. Cette méthode est idéale pour les études de dynamique à l'échelle de temps inférieure à la milliseconde, ce qui est très difficile à faire avec les applications actuelles.

"Il s'agit d'une nouvelle application des soi-disant jets plats d'eau", explique Andreas Osterwalder de la Faculté des sciences de base de l'EPFL. "Nous préparons une interface contrôlée entre deux solutions aqueuses et l'utilisons pour mesurer la cinétique chimique."

Les microjets liquides à écoulement libre permettent aux chimistes de créer une surface lisse contrôlable (et dans certains cas plate) d'un liquide qui peut être utilisée pour la diffusion de surface ou des études de spectroscopie. La libre circulation du liquide dans l'air ou dans le vide crée un accès optique libre aux interfaces gaz-liquide et liquide-vide.

Certaines des principales applications des microjets comprennent la spectroscopie photoélectronique à rayons X, la dynamique d'évaporation, la génération d'impulsions attosecondes et la chimie gaz-liquide. Une mise en œuvre populaire est un jet cylindrique unique, réalisé en forçant un liquide à sortir par une buse de 10 à 50 micromètres de diamètre et sous une pression de quelques bars, ce qui donne un jet laminaire avec une vitesse d'écoulement de plusieurs dizaines de mètres par seconde.

Ces microjets ont récemment suscité beaucoup d'intérêt pour les applications sous vide, où les jets se déplacent librement et restent liquides pendant quelques millimètres avant de se décomposer en gouttelettes et de geler. "De nombreuses expériences nécessitent une surface plane qui empêche une moyenne indésirable sur les effets de la surface dépendant de l'angle", explique Osterwalder. En raison de ce besoin, les scientifiques ont développé différents agencements de surfaces planes à flux laminaire, produisant ce que l'on appelle des jets plats liquides.

Une forme courante d'un tel agencement consiste à croiser deux jets cylindriques d'un liquide. Le jet plat résultant est une chaîne de structures en forme de feuille du liquide qui s'écoule. Les "feuilles" sont des feuilles de quelques microns d'épaisseur seulement, et chacune est liée par un rebord fluide relativement épais et stabilisée par la tension superficielle et l'inertie fluide.

A l'endroit où les deux jets cylindriques se croisent, les solutions sont poussées vers l'extérieur, tout en continuant à se déplacer dans une direction générale vers l'avant. Mais la tension superficielle des solutions fluides contrecarre cela, de sorte que les limites extérieures finissent par fusionner pour créer la forme de "feuille".

"Ces jets impactants à écoulement libre produisent une structure de feuille, où nous avons émis l'hypothèse qu'en raison de l'absence de turbulences, les fluides s'écoulent les uns à côté des autres dans la première feuille, formant une interface entre deux liquides", explique Osterwalder. "Nous pensions que cela en ferait un excellent outil pour accéder à l'interface liquide-liquide même des fluides miscibles, des fluides qui se mélangent de manière homogène, et même deux échantillons de solvants identiques."

Les scientifiques ont testé l'agencement à jet plat en l'utilisant pour étudier la cinétique de la réaction de chimiluminescence d'oxydation du luminol, une réaction de lueur dans le noir qui émet une lumière bleue lorsque le composé organique luminol est oxydé. La réaction est populaire auprès des enquêteurs criminels à la recherche de traces de sang, mais elle est également largement utilisée dans les tests de recherche biologique.

En utilisant la réaction au luminol, les chercheurs ont confirmé que le jet plat contient bien une interface liquide-liquide, plutôt que des solutions mélangées par des processus turbulents, et ils ont démontré une technique d'études de cinétique chimique dans des conditions contrôlées. L'avantage de la méthode à jet plat est qu'elle supprime la nécessité d'un mélange rapide des solutions et bénéficie de jets fluides qui ne sont pas perturbés par le frottement sur les parois du récipient.

"Nous pensons qu'il s'agit d'une approche prometteuse pour mesurer la cinétique chimique à une échelle de temps inférieure à la milliseconde, une plage très difficile à atteindre avec les technologies existantes, et pour étudier la dynamique fondamentale aux interfaces liquide-liquide", déclare Osterwalder.

L'étude est publiée dans Journal of the American Chemical Society . + Explorer plus loin

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