Surfactant Partitioning Dynamics in Freshly Generated Aerosol Droplets

化学 气溶胶 肺表面活性物质 扩散 化学物理 动力学 吸附 化学反应 化学工程 纳米技术 热力学 物理化学 有机化学 材料科学 物理 工程类 量子力学 生物化学
作者
Alison Bain,Lara Lalemi,Nicholas Dawes,Rachael E. H. Miles,Alexander Prophet,Kevin R. Wilson,Bryan R. Bzdek
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (23): 16028-16038 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03041
摘要

Aerosol droplets are unique microcompartments with relevance to areas as diverse as materials and chemical synthesis, atmospheric chemistry, and cloud formation. Observations of highly accelerated and unusual chemistry taking place in such droplets have challenged our understanding of chemical kinetics in these microscopic systems. Due to their large surface-area-to-volume ratios, interfacial processes can play a dominant role in governing chemical reactivity and other processes in droplets. Quantitative knowledge about droplet surface properties is required to explain reaction mechanisms and product yields. However, our understanding of the compositions and properties of these dynamic, microscopic interfaces is poor compared to our understanding of bulk processes. Here, we measure the dynamic surface tensions of 14–25 μm radius (11–65 pL) droplets containing a strong surfactant (either sodium dodecyl sulfate or octyl-β-D-thioglucopyranoside) using a stroboscopic imaging approach, enabling observation of the dynamics of surfactant partitioning to the droplet–air interface on time scales of 10s to 100s of microseconds after droplet generation. The experimental results are interpreted with a state-of-the-art kinetic model accounting for the unique high surface-area-to-volume ratio inherent to aerosol droplets, providing insights into both the surfactant diffusion and adsorption kinetics as well as the time-dependence of the interfacial surfactant concentration. This study demonstrates that microscopic droplet interfaces can take up to many milliseconds to reach equilibrium. Such time scales should be considered when attempting to explain observations of accelerated chemistry in microcompartments.
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