Nukleation af væsker visualiseret

Forskere fra UvAs Institut for Fysik (IoP) og Leiden University har fundet en ny måde at visualisere og måle kimdannelsesprocessen, der er ansvarlig for dannelsen af ​​væskedråber i damp. Deres fund, udgivet i denne uge i Fysisk gennemgangsbreve , forbedre vores forståelse af de nanoskala -processer, der ligger til grund for nukleation af væsker, og bidrage til at udvikle mere præcise modeller for nukleation inden for felter fra nanovidenskab til atmosfærisk videnskab.

Nukleation er det indledende trin i dannelsen af ​​en væske fra dens dampfase. Tænk på dannelsen af ​​skyer, der opstår, når der pludselig dannes små vanddråber fra den vanddamp, luften bærer. Disse mindste dråber, som kickstarter kondensprocessen, kaldes 'kerner' - selvom de ikke må forveksles med kernerne i individuelle atomer - og deres rolle i at starte væskedannelsen er afgørende for atmosfæriske processer, katalytiske reaktioner og industriel behandling.

Mens nukleation er blevet undersøgt i næsten et århundrede, nukleationshastigheder er fortsat svære at forudsige:egenskaberne ved de små nanometer-skalaer, der afgørende bestemmer kimdannelsen, såsom deres overfladespænding, ikke er velkendte og vanskelige at få adgang til direkte. Den nye visualiseringsteknik bruger små sfæriske partikler til at løse dette problem.

Mentos og Diet Coke

Virkningen af ​​kimdannelse er velkendt i dagligdagen. Alle er bekendt med det pludselige stænk af vand, når man åbner en flaske mousserende vand, efter at det er blevet rystet under rejse eller transport. Effekten kan dramatisk accelereres i det berømte Diet Coke-Mentos-eksperiment. Et stykke Mentos-slik tilsat en flaske Diet Coke fører til et eksplosionslignende spild af drikkevaren.

Dette stænk kommer fra den pludselige atomdannelse af gas (kuldioxid), der opløses i drikkevaren ved en koncentration, der er 'for høj' - det vil sige højere end dens mætningsniveau. Under normale omstændigheder, nukleation begrænser tempoet i denne proces, da det kræver indledende små gasbobler at danne. At skabe overfladerne af disse gasbobler i væsken koster energi:den såkaldte overfladespænding. Imidlertid, tilsætning af urenheder eller ru overflader til væsken reducerer denne nukleationsenergi betydeligt, og dermed fremskynde nukleationsprocessen dramatisk.

Kugler i mikrometerstørrelse

Nukleation sker ikke kun, når der dannes gasser fra væsker, men også når den modsatte proces sker, som i dannelsen af ​​skyer. Det er nu lykkedes forskerne at direkte visualisere denne omvendte proces, nukleation af en væske fra den overmættede damp. I stedet for en normal væske, de brugte et modelmateriale lavet af bittesmå, kugler i mikrometer suspenderet i et opløsningsmiddel. I analogi med atomer, disse små partikler kan danne alle tilstande af stof - gas, væske og faste stoffer - og i mange henseender minder deres adfærd meget om atoms adfærd.

Fordi partiklerne er cirka ti tusinde gange større end atomer, de kan bekvemt afbildes i tre dimensioner, giver rig, direkte indsigt i atomskala-processer i materiens tilstande, samt overgangene mellem disse stater. Ved at øge attraktionen mellem partiklerne, forskerne var i stand til at kondensere dem fra en gas til en flydende tilstand. Omvendt de kunne 'fordampe' den kondenserede flydende tilstand tilbage i gastilstanden ved at sænke attraktionen. Iagttagelse af disse processer i et mikroskop, de var i stand til at følge den udviklende nukleationsproces med enestående detaljer og formåede at opnå tredimensionelle billeder af indledende stabile kerner, som vist i figur 1. Forskerne overvågede derefter omhyggeligt kernernes former og kunne fra fordelingen af ​​former måle deres overfladespænding, den afgørende mængdebestemmende nukleation, der hidtil havde været utilgængelig for forsøg.

Kontroversen løst

Disse målinger bekræfter tidligere resultater, der blev opnået ved hjælp af computersimuleringer:overfladespændingen falder, når kernen bliver mindre, og dens overflade bliver mere og mere krum i atomskalaen. Bekræftelsen af ​​computersimuleringsresultaterne er vigtig, da disse resultater modsagde tidligere teoretiske forudsigelser. Den direkte måling af flydende kerner løser nu denne gamle kontrovers, og hjælper med at forstå og forudsige nukleationshastigheder. Ud over, nylige målinger i den internationale rumstation af nogle af de samme forskere, udgivet for nylig i Europhysics Letters , har vist, at nukleationsprocessen også kan gælde meget bredere end tidligere antaget, ud over den normale gas-væske-overgang, til dannelsen af ​​store klynger af molekyler såsom proteiner. Resultaterne giver således afgørende indsigt i den begyndende dannelse af kondenserede materielle tilstande inden for områder, der spænder fra nanovidenskab til kemi og metrologi.