表面活性剂在日常生活中发挥着重要作用，例如，作为肥皂的主要成分。由于它们在结构上具有亲水和疏水的特点，它们在水与空气的界面上聚集，并能影响溶液的蒸发速度或气体分子被溶液吸收的效率，这一过程对于二氧化碳融入海洋非常重要。

表面活性剂如何在水和空气的界面上排列是一个有趣的问题，几个世纪以来一直吸引着科学家，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，她在19世纪末就这个问题做了一些最早的系统实验。

表面活性剂分子在水-空气界面上的排列问题不容易回答，因为要仔细观察液态水的表皮，需要采用磨练水的外层的方法，表面活性剂分子位于厚度只有几十亿分之一米的层中。

弹性散射的电子提供了线索
来自柏林弗里茨-哈伯研究所的无机化学系、分子物理系和理论系的科学家们的一项合作调查最近展示了一种解决这一问题的新方法，该方法基于光电子的弹性散射，光电子在X射线照射水-表面活性剂-蒸汽界面时被发射出来。

他们研究的表面活性剂是全氟戊酸，其中五个碳原子中有四个可以在C 1s（内壳）核心级光电子谱中相互区分，特别是分子的亲水端和疏水端可以在实验中相互区分。

全氟戊酸也属于所谓的 "永远的化学品"，最近作为自然水域的主要污染物而受到关注；这些分子难以清除，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的X射线束线上进行的，这些束线允许改变X射线的线性偏振方向。

偏振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一条线索，即电子在到达电子检测器的途中经历了多少次弹性 "碰撞"。

由于水是一种致密的介质，来自表面活性剂分子中那些浸入水中较深的部分的电子将比来自分子中伸入空气的部分的电子经历更多的弹性散射，而空气的密度比水小得多。实验表明，弹性散射足够敏感，可以观察到分子中相邻的碳原子的散射差异，这些碳原子之间只相差大约100亿分之一米（0.1纳米）。

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方向，即疏水端指向空气，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。这一点可以通过分子动力学模拟来实现，这种模拟随着时间的推移跟踪水和表面活性剂分子的轨迹，并提供一个分子尺度的 "电影"。

然后，表面活性剂相对于样品表面的平均位置可以从该影片的许多快照中确定，并与弹性散射数据进行比较。我们发现，理论计算和实验数据之间存在着很好的一致性。

这对于未来的测量来说是令人鼓舞的，这些测量将关注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、河流和水气溶胶液滴。

这些发现发表在《物理评论快报》杂志上。

参考资料：R. Dupuy et al, Ångstrom-Depth Resolution with Chemical Specificity at the Liquid-Vapor Interface, Physical Review Letters (2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.156901