Une série de films montre comment l'augmentation des flux de gaz qui forment un flux de liquide affecte la formation de feuilles liquides et leur éclat semblable à une bulle de savon. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
L'eau est un ingrédient essentiel à la vie telle que nous la connaissons, constituant plus de la moitié du corps humain adulte et jusqu'à 90 pour cent de certains autres êtres vivants. Mais les scientifiques essayant d'examiner de minuscules échantillons biologiques avec certaines longueurs d'onde de lumière n'ont pas été en mesure de les observer dans leur état naturel, environnements aqueux parce que l'eau absorbe trop de lumière.
Il existe désormais un moyen de contourner ce problème :une équipe dirigée par des scientifiques du laboratoire national de l'accélérateur SLAC du ministère de l'Énergie a transformé de minuscules jets de liquide qui transportent des échantillons sur le trajet d'un faisceau de rayons X en un mince, feuilles fluides, 100 fois plus mince que tout produit auparavant. Ils sont si fins que les rayons X les traversent sans entrave, afin que les images des échantillons qu'ils transportent soient claires.
La nouvelle méthode ouvre de nouvelles fenêtres sur les processus critiques en chimie, physique et biologie, y compris la nature de l'eau elle-même, les chercheurs ont déclaré dans un rapport du 10 avril Communication Nature .
La méthode a été développée au laser à rayons X à électrons libres du SLAC, la source de lumière cohérente Linac (LCLS), mais ils ont dit qu'il peut également fonctionner dans des expériences avec des sources de lumière synchrotron, lasers de table et faisceaux d'électrons.
"Cela ouvre des possibilités dans beaucoup de domaines, " a déclaré Jake Koralek, scientifique du SLAC, qui a dirigé les recherches avec Daniel DePonte, chef du département LCLS Sample Environment.
"Jusqu'à maintenant, nous n'avons pas été en mesure d'examiner des échantillons en suspension dans l'eau avec deux types de lumière - infrarouge et « douce », les rayons X de basse énergie - qui sont importants pour faire des images et utiliser la spectroscopie pour étudier les processus de base en physique, chimie et biologie, y compris la physique de l'eau, " a déclaré Koralek.
"La nouvelle buse que nous avons développée, qui peut créer des nappes fluides de liquide de seulement 100 molécules d'eau d'épaisseur qui persistent pendant des jours dans le vide, résout ce problème. Les feuilles peuvent même être utilisées pour imager des échantillons avec des faisceaux d'électrons qui résolvent des détails encore plus petits."
Façonner un liquide avec du gaz
La buse est une minuscule puce de verre avec trois canaux microscopiques. Un courant de liquide s'écoule à travers le canal médian, façonné par les flux de gaz provenant des canaux de chaque côté. Cette buse particulière a été réalisée par photolithographie, une technique utilisée pour fabriquer des puces informatiques, mais il pourrait aussi être fabriqué avec l'impression 3D, les chercheurs ont noté.
Ces images montrent la formation de minuscules feuilles de liquide façonnées par des jets de gaz provenant d'une buse développée au SLAC. En haut :à mesure que le débit de gaz augmente, les feuilles liquides deviennent plus grosses. En bas :la buse produit une série de feuilles liquides; celui le plus proche de la buse est le plus large et le plus fin. Chaque feuille est perpendiculaire à la précédente, nous voyons donc les deuxième et quatrième feuilles de côté. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Alors que les scientifiques augmentent la vitesse du flux de gaz, le flux liquide se répand en une série de feuilles dont la largeur et l'épaisseur peuvent être contrôlées avec précision. La feuille la plus proche de la buse est la plus large et la plus fine; plus ils s'éloignent de la buse, plus les feuilles deviennent étroites et épaisses jusqu'à ce qu'elles se fondent finalement en un jet cylindrique.
Les feuilles scintillent comme des bulles de savon dans une variété de couleurs, le résultat de la réflexion de la lumière sur les surfaces avant et arrière de la feuille. Et tout comme les courbes de niveau sur une carte topographique marquent les différences d'altitude, la teinte et l'espacement des bandes de couleur en constante évolution d'une feuille indiquent son épaisseur et à quel point l'épaisseur change d'un point à un autre.
"C'est une conception très flexible et fiable pour créer à la fois des feuilles liquides ultrafines et légèrement plus épaisses, ce qui peut être souhaitable pour certaines applications", a déclaré Linda Young, un membre distingué du Laboratoire national d'Argonne du DOE et professeur à l'Université de Chicago qui n'a pas participé à l'étude.
Elle a déclaré qu'elle utiliserait la buse pour fabriquer des feuilles d'eau légèrement plus épaisses pour une étude LCLS sur le comportement des molécules d'eau après qu'un de leurs électrons ait été arraché. Ces molécules d'eau ionisées ne persistent que quelques centaines de femtosecondes, ou des millions de milliardième de seconde, et "les rayons X fournissent un moyen complètement nouveau et propre de surveiller leur réponse électronique dans leur environnement naturel, c'est pourquoi nous sommes excités à ce sujet, " a dit le jeune.
Une nouvelle façon d'étudier les formes extrêmes de l'eau
Les feuilles liquides ont déjà été utilisées dans des expériences qui explorent les propriétés de l'eau dans des environnements extrêmes comme ceux des planètes géantes, a déclaré le co-auteur Siegfried Glenzer, professeur au SLAC et chef de la division des sciences de la haute densité énergétique du laboratoire.
Ces expériences ont été réalisées avec le laser à électrons libres FLASH au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) en Allemagne. Les chercheurs ont utilisé des impulsions de rayons X pour chauffer les feuilles liquides à des milliers de degrés afin de simuler la température extrêmement chaude, forme dense d'eau présente dans les planètes géantes comme Jupiter. Ensuite, ils ont mesuré la réflectivité et la conductivité de l'eau super chaude avec des impulsions laser optiques à l'instant précédant la vaporisation de l'eau. Ces mesures ne pouvaient être effectuées que sur une nappe d'eau plate.
"Il y a beaucoup de mystères dans ces grandes planètes et ils sont importants pour comprendre l'évolution de notre système planétaire ainsi que d'autres, " a déclaré Glenzer. " C'est un bel outil pour étudier l'eau elle-même, et à l'avenir, nous étudierons également d'autres matériaux que nous pouvons y mélanger."
L'équipe a mesuré l'épaisseur des feuilles avec un faisceau de lumière infrarouge à la source lumineuse avancée du Lawrence Berkeley National Laboratory du DOE, et a également démontré que les feuilles pouvaient être utilisées pour la spectroscopie infrarouge, où la lumière absorbée par un matériau révèle sa composition chimique.
