化学家发现了一种测量复杂反应过程的新技术 液体、固体和气体的界面获得了 2023 年密歇根技术奖 巴克塔·拉斯大学奖。
助理教授的成就凯瑟琳·佩林和她的导师、研究助理查图拉·德·阿尔维斯 (Chathura de Alwis) 对以下方面提出了新的见解 铁和氧化还原反应的化学机制 其他地球上丰富的金属和材料。研究结果对于当前和 未来的产业和能源应用。
Perrine 研究小组使用，包括偏振调制红外反射吸收光谱（PM-IRRAS）， 测量表面化学，揭示解决问题的物理和化学现象 能源和环境科学的全球挑战。多学科小组， 揭示了解决腐蚀、水质、碳捕获的基本原理 和其他关键挑战，包括来自化学领域的研究人员， 材料科学、物理和工程。
关于研究员
凯瑟琳·佩林
kaperrin@mtu.edu
906-487-3214
研究兴趣
- 表面化学和界面科学
- 模型（超高真空）和真实（接近环境压力）条件下气/固和液/固界面的桥接反应
- 能源和环境应用中复杂表面的生长、特性和反应
- 使用定制的自下而上方法设计金属和氧化物结构以及纳米结构材料；生长技术包括原子层沉积、物理气相沉积、自组装、溶液成核
2022 年春天的接收者和 2021 年，德阿尔维斯在密歇根州完成了物理化学硕士和博士学位 技术。他获得了博士学位。 2022年获得表面科学和物理化学博士学位 目前是英特尔公司的 LTD 蚀刻模块工程师。
研究因跨学科和行业的应用而受到赞扬
Perrine 和 de Alwis 被提名为该奖项的领先科学家，他们强调 两人工作的广泛应用、他们的精确性和潜力 测量方法及其详细的文档和卓越的研究。
“这项工作提供了对铁腐蚀的新理解，这在许多方面都很重要 工业和能源应用，”提名人副科学家 Ashley R. Head 写道 在功能纳米材料中心，在她的支持信中。 “他们研究界面的技术提供了更高的学位 控制液体厚度并允许空气中的化学反应更好地模拟化学反应 实际应用中的流程。”
“这个概念非常简单，但具有强大的应用潜力 一系列未知的化学系统，包括腐蚀、催化、大气科学、 地球化学、电化学电池和电池组。”
在另一封支持信中，提名人亨德里克·布鲁姆 (Hendrik Bluhm)，该德国柏林无机化学系称测量方法 将被全球表面科学和光谱学团体采用。
“该技术为观察复杂界面的表面化学开辟了新途径， 不仅在大气腐蚀和岩石风化方面，而且在其他学科 具有直接的社会影响。”
提名人，弗吉尼亚大学材料科学与工程系教授， 她在提名信中指出，学习和解释表面的复杂性 反应不可低估，并对二人组的系统方法、生产力表示赞赏 和学术卓越性，如许多论文和演示文稿所证明的那样 跟踪他们的稳步进步和成就。
“这项工作展现了创新，与理解环境高度相关 过程。”
在密歇根科技新闻问答中，Perrine 和 de Alwis 反思了他们的发现并 他们一起工作。
问：您的研究内容是什么？
KP：我们研究导致铁腐蚀和碳的表面化学反应 通过矿物形成，在空气-液体-固体界面处捕获。我们用一个方法 我们开发的目的是揭示管道腐蚀、水 质量和大气过程，以及复杂的表面催化反应 接口。
CA：基于液体细胞被开发用于同时观察正在发生的复杂化学反应 在环境条件下的空气-液体-固体界面处。各种各样的反应 可以使用这种新方法来研究界面金属腐蚀、矿物 形成，并且溶解在液相中的分子、单层/多层吸附和吸附 不同化学环境下界面处的气体分子。这个方法还 有助于定性和定量研究化工产品的成分 在空气-液体-固体界面处形成并研究它们的动力学。
问：您的研究有哪些应用？
KP：我当前的小组正在致力于了解管道腐蚀的机制 与水消毒剂的相互作用，影响我们的水分布 基础设施。我们还致力于测量碳捕获机制 在液-固界面处。这些对于解决气候影响非常重要 改变。
CA：该方法可用于研究气-液-固中发生的任何复杂反应 环境条件下的接口。该反应可以是单层/多层吸附， 氧化还原反应、无机/有机反应、矿物形成和吸附 气-液-固界面处的大气或受控环境气体。理解 这种界面的基础化学影响扩大了我们对 宏观系统的化学，例如金属腐蚀、矿物形成和行为 水污染物。
问：您在 环境科学推广水节上的演示。告诉我更多 关于那一刻的认识。
KP：我们小组开发并提供了简单的腐蚀实验，作为 K-12 年级环境科学外展计划，在的帮助下琼·舒梅克-查德。在一次外展演示中，我留下了一个浸有稀释醋和盐的铁样本 向学生展示溶液的腐蚀情况。我和我的研究生提出了一个 以铜、锌和钢的腐蚀作为输水管道模型的演示， 可以帮助学生了解水质及其影响弗林特水危机。演示结束时，铁样品在表面形成了红色锈带。 空气与溶液的界面。那一刻我意识到这个界面 该地区发生了一些有趣的化学反应。留下的环颜色是使用测量的，一种反射表面分析技术，产生了超薄 需要液体层才能看到固体表面的变化。我赶紧跑回实验室 演示结束后，用激光笔测试了反射效果。我们后来转载了 实验室稳定设置的结果，使我们能够观察铁表面氧化 实时。
问：您使用过哪些现有工具，以及需要哪些工具 被发明？
KP：PM-IRRAS 是一种振动光谱技术，自 20 世纪 90 年代以来就已广为人知 并用于检测液/固和气/固界面。其他相关技术 有局限性。我们希望能够同时检测两个接口。至 测试我们是否可以透过液体层看到化学反应，我们首先需要 通过使用众所周知的化学反应作为概念证明来建立该方法。 后来，一旦我们能够重现结果，我们就需要一个模型来关联信号 与液层厚度，其中。 Timothy Leftwich 博士（研究助理 材料科学与工程系教授）能够提供帮助 通过开发模型来解决。
CA：传统的 PM-IRRAS 作为表面敏感红外传感器已使用了几十年 光谱技术检测表面吸附/解吸反应的发生 在 Au 金属（金）等反射表面上。在我们的研究中，我们修改并 开发了这种带有定制液体池的 PM-IRRAS 技术，以便我们可以检测 同时监测气-液-固界面并监测复杂的化学反应 发生在周围或受控环境下。
问：最大的挑战是什么？您是如何应对这些挑战的？
KP：我们知道我们可以观察到离子溶液中铁的自发氧化；然而， 我们需要一个概念证明来证明我们正在观察到一个真正的单层 透过液体的表面。我们转向传统的表面科学实验 烷硫醇在金上的自组装单层吸附。这样就形成了统一的 通过吸附形成单分子层，溶液中表面不发生变化，即金 是一种贵金属，在空气中不会氧化。
CA：除了使用单层吸附之外，我认为另一个最具挑战性的部分 正在解释我们收集的数据。当化学反应发生时 在环境条件下，大气反应成分的影响，例如 因为氧气和二氧化碳是不可避免的。这增加了复杂性并且 随着时间的推移在界面处形成的薄膜的组成。有时我们不得不改变 化学环境以研究运行化学的最佳条件 反应并仍然实时观察它们。
关于该奖项
该巴克塔·拉斯奖成立于 2010 年，面向即将毕业的足球比赛结果博士。学生和教师 顾问“为美国工业和社会做了一些有价值的事情”，鼓励 教师和博士生开展满足国家需求的研究 新兴技术的挑战。
问：这个奖项是团队努力的结果。告诉我更多关于你的合作者的信息。
KP：我们想知道的一件事是液体（乙醇）层有多厚 在金上，即光折射之前液膜有多厚，我们 失去信号。 Leftwich 博士提出了一个估计液体层厚度的模型， 基于我们的实验测量和光反射物理定律 通过三相（空气、溶液、固体）吸收。我们估计 液层厚度的上限约为10-12纳米。虽然 红外光探测更深（几微米），对液体有限制 信号丢失（从探测器折射出去）之前的层厚度。对于 我们在铁上生长的薄膜，我组的其他学生，米哈伊尔·特劳特博士，朱莉娅 Lundeen 和 Kayleigh Wahr 通过原子力显微镜帮助证实了结果 测量。作为我们与足球比赛结果应用化学和形态学合作的一部分 分析实验室 (ACMAL)，Leftwich 博士还收集了我们的 X 射线光电子能谱 (XPS) 数据 样品。天然矿物标本，由 Tech 的 A. E. Seaman 借给我们，用于帮助识别我们在样品上生长的薄膜。
“他们的新方法是我所知道的唯一可以收集表面敏感的技术 环境条件下气-液-固界面的实验数据。"
问：彼此合作感觉如何？你们从彼此身上学到了什么？
KP：Chathura 在进行实验时注重细节。他的作品是可复制的 并且一致。在早期开发过程中我和他一起在实验室工作 的方法。他非常热衷于进行多次实验以确保数据 是可重现的。我们互相交换想法。查图拉也是发现这一问题的关键 有助于鉴定矿物膜的文献 铁的氧化和二氧化碳的吸附。它正在共同解决一个难题。
CA：在我的研究生生涯中，我一直受到 Perrine 博士的指导和指导。 当我加入时，我并没有扎实的表面科学背景。她帮助我理解理论概念和实际应用 表面科学的知识并获得相关仪器的实践经验。佩林博士 是一位非常忠诚的教授和研究员，拥有许多创新想法。我很欣赏 她对我们生成的研究数据的准确性和质量的关注 在实验室里。
问：你为什么关心你的研究？
KP：能够同时检测三相两个接口 太棒了！我最初对这个领域感到兴奋作为一名本科生，当我发现可以对单个原子进行成像时 在有序的晶体表面上。我在研究生院进一步了解到表面泛函 小组可用于使用光谱学来定制纳米颗粒并直接薄膜生长 显微镜作为强大的“眼镜”，可以在原子水平上“观察”化学。
这些新建立的表面科学技术使我们能够检测化学物质 以前无法访问的复杂系统。具体而言，吸附 空气-液体-铁界面处的二氧化碳和氧气表明复杂 可用于了解二氧化碳捕获和释放机制的化学 封存，解决温室气体减排的重要挑战。 这些发现还可以解释电化学转化和 对其他技术的见解。
CA：研究工作有助于新的创新。作为科学家，这是我们的责任 创造并向世界带来新的创新和技术并推动科学发展 致力于人类福祉，创造可持续的未来。为此，了解 自然界中发生的基本化学反应至关重要。我们有的方法 开发有助于监测两个界面上发生的实时复杂化学反应 （气-液和液-固）同时进行。我相信这个开发的PM-IRRAS 该方法将来在了解环境化学方面将有许多应用 反应。
巴克塔·拉斯是谁？
海军研究实验室以他的名字命名了一个房间。他带领的750多名团队成员 包括诺贝尔奖获得者。他获得了三个荣誉博士学位。这一切都开始了 在足球比赛结果。详细了解 Bhakta Rath 的个人和职业故事.
问：您的研究工作的下一步是什么？
KP：我们正在努力扩展测量表面化学反应的能力 影响环境和地球过程以及水质，以及驱动 表面催化和其他新兴技术。
CA：我现在在英特尔公司担任蚀刻模块工程师。我很享受我的 当前的工作，因为它涉及大量解决问题并使用先进的技术 仪器。有很多学习机会，我喜欢为之做出贡献 尖端技术的开发和制造。
问：您还有什么想分享的吗？
KP：我很幸运，Chathura 加入了我的团队，并在我们的研究中找到了乐趣。 我也很感激与热心的学生一起工作，他们帮助支持我们的项目。另外， 我要感谢那些努力将我们的设计变为现实的机械师，以及 同事们的支持使我们早年的研究得以起步 - 特别是科学与艺术学院，包括系 化学系、材料科学与工程系和 ACMAL。
CA：我要感谢我的博士。顾问和导师 Perrine 博士持续不断地 在我作为研究生的整个职业生涯中的指导和支持。另外，我想分别 感谢 Perrine 研究小组的其他成员，包括 Leftwich 博士和 米哈伊尔·特劳特 (Mikhail Trought) 博士多次给予我们宝贵的支持 开展我的研究工作。最后，我要感谢化学系 和足球比赛结果提供奖学金、助学金和技术 我在整个研究工作中获得的支持研究生。
足球比赛结果是一所 R1 公立研究型大学，成立于 1885 年，位于霍顿，拥有来自全球 60 多个国家的近 7,500 名学生。密歇根州旗舰科技大学的投资回报率一直名列全美最佳大学之列，提供超过 185 个本科和毕业生科学技术、工程、计算机、林业、商业、健康专业、人文、数学、社会科学和艺术领域的学位课程。乡村校园距离密歇根州上半岛的苏必利尔湖仅数英里，提供全年户外探险的机会。
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