對科學家來說，在這些混合物中發生的事情遠遠不止漂亮的顏色。產生這些顏色的薄界面對生物學、化學、石油和制藥業等都有著重大影響，比如，在界面上分離化學物質是化學凈化過程的核心。

然而，掌握像油性水坑或者藥物相互作用中的薄界面的基本物理學，一直是一大挑戰。這是因為它需要研究人員透過一層又一層的薄膜，對兩種不同液體(比如油和水)相遇的確切位置進行準確觀察，而這相當困難。

現在，一組科學家可能已經找到了一種解決方案。通過向著相對的方向噴射水和油，他們創造了只有幾百個原子厚的液體層。這種方法使他們可以更清楚地看到在液體相互作用的界面上發生了什么。團隊近日在《朗繆爾》上報道了他們的發現。

化學油醋汁

在生物學和化學中，兩種東西之間的相互作用會發生在兩者相遇的邊界，或者叫界面。舉個例子，在病毒進入細胞之前，它的外殼必須與細胞的膜融合。一個更日常的例子發生在沒有攪拌混合的沙拉醬中，油和水分子只在兩種液體之間的邊界處發生相互作用。

界面是化學和生物學在分子水平上的“所有行動”的發生地，液體界面可以決定反應速率或者混合程度等基本變量，但界面本身只有幾個原子厚，這就讓研究界面成了“幾乎不可能的任務”。因為在兩種液體的界面兩側，還存在著大量分子。可以這么理解，大量分子會淹沒來自界面本身的信號，從而在實驗數據中制造大量的噪聲。

在新研究中，團隊希望通過將液體體積減少到只有幾納米厚來降低噪聲。為此，他們以每秒1到10米的速度，從“微流體”噴嘴中噴射出水和油的噴流，并將它們混合到一起，形成一個薄薄的液面。

隨后，他們向這個薄片發射紅外光，并研究通過的光的光譜(也就是一種被稱為紅外光譜學的技術)，從而了解界面處究竟發生了什么。

在他們使用微流體噴嘴的第一次測試中，團隊只噴射了水，而沒有油，這是為了測試在流動的液體薄片上進行光譜學分析的可行性。他們可以根據水與光的相互作用中的一些眾所周知的特性來檢驗得到的結果。

盡管如此，他們仍不確定實驗在多種液體的情況下會如何運作，因此在核心實驗中，他們嘗試噴射出三股噴流，其中兩股是油，一股是水，以及反過來的情況。這些液體被校準成在它們離開噴嘴時恰好相遇，形成了一片薄薄的液體。

他們起初認為，這些液體可能是橫向分隔的，可能一邊是一種液體，一邊是另一種液體。但事實上，紅外光譜分析揭示了薄片的每一部分有哪些分子。他們驚訝地發現，在任何一種情況下，一種液體都被完全被包圍在了另一種液體中。總是一片水完全被一片油所包圍，反之亦然。

實驗中創造出的彩虹圖案。(圖/David Hoffman, SLAC National Accelerator Laboratory)

研究人員還清晰地看到了彩虹色的波狀圖案，這表明，他們的確沒有創造出油和水的乳狀液，而是明確地發生了分層——有時，漂亮的圖像也是科學中的一個關鍵部分。

彩虹物理學

制造出非常光滑且平坦的界面是光譜學的一個完美目標。這項研究證明，他們實際上已經可以用明確可行的實驗方法來做到這一點。接下來，他們希望使用SLAC的直線加速器相干光源(LCLS)進行X射線光譜學分析，以此來提高對界面化學本身的理解。

研究人員表示，他們的方法可以實現對這些界面的一系列新的光譜測量，它們基本上是目前的技術所不能實現的。這些光譜測量讓科學家能詳細地追蹤單個顏色的光，從而深入了解分子的基本結構。這些技術還可以讓他們觀察材料相互作用時發生的實時化學反應。

實施這些方法所需的設備既便宜又小，而且在X射線實驗和電子顯微鏡中只需要幾個小時就能完成設置，這會讓更多的研究人員更輕松地研究液體界面，從而推動更多領域的發展。他們也已經開始行動，幫助其他科學家將這類方法納入其他實驗中。