在液气界面具有化学特异性的深度分辨率

表面活性剂在日常生活中发挥着重要作用，例如作为肥皂中的主要成分。由于它们的结构具有亲水和疏水部分，因此它们积聚在与空气的水界面处，并且会影响溶液的蒸发速率或溶液吸收气体分子的效率，例如，这一过程对于将二氧化碳纳入海洋非常重要。

表面活性剂如何在水与空气的界面上排列自己是一个有趣的问题，几个世纪以来一直让科学家着迷，可以追溯到本杰明富兰克林，他注意到食用油对水面的镇静作用，以及艾格尼丝·波克尔斯在 19 世纪后期对这个主题进行了一些第一次系统实验。

表面活性剂分子在水-空气界面的排列问题并不容易回答，因为仔细观察液态水的皮肤需要磨练水外层的方法，其中表面活性剂分子位于厚度仅为几十亿分之一米的层中。

弹性散射电子提供了线索

来自柏林弗里茨哈伯研究所无机化学，分子物理和理论系的科学家的合作研究最近展示了一种解决这个问题的新方法，该方法基于X射线照射水 - 表面活性剂 - 蒸汽界面时发射的光电子的弹性散射。

他们研究的表面活性剂是全氟化戊酸，其中五个碳原子中的四个可以在C 1s(内壳)核心水平光电子能谱中相互区分，特别是分子的亲水性和疏水性末端可以在实验中相互区分。

全氟戊酸也属于所谓的“永久化学品”类别，最近已成为天然水域中的主要污染物;这些分子很难去除并对环境造成危害。测量是在柏林的同步辐射光源BESSY-II和巴黎附近的SOLEIL上进行的X射线光束线，允许改变X射线线性偏振的方向。

极化方向与电子检测器之间的角度决定了检测到的电子信号的强度。作为角度函数的强度分布提供了电子在前往电子探测器的途中经历了多少弹性“碰撞”的线索。

由于水是一种致密介质，因此源自表面活性剂分子中浸入水中的那些部分的电子将比从分子伸出到空气中的部分出现的电子经历更多的弹性散射，后者的密度远低于水。实验表明，弹性散射足够敏感，可以观察到分子中相邻碳原子散射的差异，这些碳原子之间的距离仅为大约百亿分之一米(0.1nm)。

分子动力学模拟提供标尺

虽然实验定性地显示了分子的预期取向，疏水端指向空气，亲水端指向水，但仅靠实验无法量化分子相对于水-空气界面的平均位置。这可以通过分子动力学模拟来实现，该模拟跟踪水和表面活性剂分子随时间推移的轨迹，并提供分子尺度的“电影”。

然后，可以从该视频拍摄的许多快照中确定表面活性剂相对于样品表面的平均位置，并与弹性散射数据进行比较。结果表明，理论计算与实验数据吻合较好。

这对于未来的测量是令人鼓舞的，未来的测量将侧重于表面活性剂分子与水中溶解离子的相互作用，这种现象存在于所有自然系统的水 - 空气界面，包括海洋，河流和气溶胶水滴。