Teoretisk model afslører, hvordan dråber vokser omkring små partikler på en overflade

En matematisk model, der forudsiger, hvordan vand kondenserer omkring små partikler, kan hjælpe med at forbedre kemiske industrielle processer, herunder fremstilling af lægemiddeltabletter, gødning og katalysatorer.

Tidligere kondensationsmodeller adskiller sig i deres hastighedsforudsigelser, afhængig af faktorer som formen og sammensætningen af ​​den overflade, som dråben vokser på. Fong Yew Leong fra A*STAR Institute of High Performance Computing ønskede at udvikle en mere realistisk teoretisk model for at hjælpe sine samarbejdspartnere med at forstå deres eksperimentelle kondensationsresultater. "Det er her, modellering og beregning bliver virkelig nyttig, ved at give fysisk indsigt, der ikke kan opnås fra eksperimenter, " siger Leong.

Han og hans kolleger modellerede en vanddråbe, der voksede i sprækken mellem en partikel på mikrometerstørrelse og en flad overflade. Deres model tager hensyn til faktorer som partikelstørrelse, dråbens overfladespænding, og hvor meget den underliggende overflade tiltrækker eller afviser vand.

Modellen viser, for eksempel, at en voksende dråbe hurtigere dækker en vandtiltrækkende (hydrofil) overflade end en vandafvisende (hydrofob) overflade. Volumenet af en dråbe stiger til at begynde med langsommere på en hydrofob overflade, men går derefter hurtigere, efterhånden som dråben bliver mere konveks. "Dråben krymper ikke under kondensering, den fugter i stedet partiklen fuldstændigt, " siger Leong.

Holdet udførte eksperimenter for at teste deres model, film, hvordan vand kondenserede omkring siliciumdioxidpartikler i mikronstørrelse på et objektglas (se billede). De så, at vand altid kondenserede i sprækken mellem en partikel og rutsjebanen, i stedet for at danne selvstændige dråber på overfladen, og fandt ud af, at dråbernes vækst var næsten den samme som den, der blev forudsagt af deres model. Forskerne tilpassede også modellen til at forudsige væksten af ​​dråber omkring klynger af partikler.

Disse resultater viser, at det ikke er muligt nøjagtigt at simulere kondensering baseret på en enkelt faktor, siger holdet. Ja, det ser ud til, at der er en konkurrence mellem partiklen og substratet, der bestemmer, hvor hurtigt hver enkelt bliver dækket af vand, når dråben kondenserer. "Det peger på betydelige implikationer for befugtning i små skalaer, " siger Leong. Holdet håber nu at modellere kondensation og væskeinteraktioner i endnu mindre længdeskalaer.