Vandets dynamiske overfladespænding

En væskes overfladespænding er et mål for de sammenhængende kræfter, der holder molekylerne sammen. Det er ansvarligt for en vanddråbe, der antager en sfærisk form, og for virkningerne af overfladeaktive stoffer til at producere bobler og skum. Værdien af ​​overfladespændingen af ​​vand ved stuetemperatur er kendt nøjagtigt til fire signifikante cifre og anbefales som standard for kalibrering af andre enheder. Ny forskning, hvor Ines Hauner og Daniel Bonn (Institute of Physics) er involveret, viser nu, at denne værdi ikke er så universel som tidligere antaget.

De seneste eksperimenter viser, forbavsende, at en nyoprettet, uberørt luft/vand-grænseflade har en overfladespænding, der er ca. 25 % højere end ligevægtsværdien, hvilket vides at være 72,75 mN/m. Forskere fra Amsterdam, Bordeaux og Sydney viser, at en frisk ubalanceret luft/vand-grænseflade har en overfladespænding på omkring 90 mN/m. De brugte et højhastighedsvideokamera til at observere frigivelsen af ​​en vanddråbe som følge af brud på væskehalsen, der forbinder dråben med åbningen - se billede. Deres analyse af breakup-dynamikken på en millisekunds tidsskala giver en overfladespænding på omkring 90 mN/m.

I fortiden, lignende overfladespændingsværdier, der er højere end ligevægt for vand, var faktisk blevet rapporteret på så korte tidsskalaer. Imidlertid, de er alle forblevet meget kontroversielle på grund af metodologiske mangler. I modsætning, Professor Bonn udtaler, at "metoden til at studere dråbeopdeling undlader de tidligere vanskeligheder:den eksperimentelle procedure er meget robust, og den tilhørende pinch-off dynamik godt forstået."

Hvorfor er så stor en uoverensstemmelse blevet overset så længe? Årsagen er, at levetiden for den uberørte tilstand er mindre end et millisekund. Ældre teknologier har langsommere svartider; kun moderne metoder sonderer mikrosekundregimer. Et andet bemærkelsesværdigt aspekt af denne opdagelse er størrelsen af ​​effekten. Når natriumchlorid eller natriumhydroxid tilsættes til vand i en koncentration på 1 mol pr. ligevægtsoverfladespændingen ændres kun med ca. 2 mN/m. I modsætning, effekten rapporteret i de nye eksperimenter giver en ændring på 17 mN/m. Dette er meget større end konsekvensen af ​​enhver elektrolyteffekt og skal involvere strukturen af ​​grænsefladevandet.

Der er dybe konsekvenser af denne opdagelse for alle processer, der involverer vand i sub-millisekunder tid. For eksempel, Hele sekvensen af ​​begivenheder i inkjet-print forekommer i dette tidsinterval og involverer vandigt blæk, der danner dråber ved MHz-frekvenser. Mange sprøjteanvendelser, hvor der bruges vand, bør også påvirkes:en høj værdi af spændingen skulle gøre det vanskeligere at producere små dråber. Ud over, der er en omfattende litteratur, der forsøger at forklare værdien af ​​overfladespændingen af ​​vand på 73 mN/m, men indtil videre er der ingen, der har overvejet, at den uberørte overflade har en endnu højere værdi.