Визуализация зарождения жидкостей. Исследователи из Физического института УВА и Университета Лейдена нашли новый способ визуализации и измерения процесса нуклеации, ответственного за образование капель жидкости в парах. Их результаты, опубликованные на этой неделе в Physical Review Letters , улучшают наше понимание наноразмерных процессов, лежащих в основе зарождения жидкостей, и помогают разрабатывать более точные модели зарождения в областях от нанонауки до науки об атмосфере.

Рисунок 1: жидкое ядро, наблюдаемое с использованием модельных частиц, служащих атомами. Красные сферы указывают на частицы, подобные жидкости, а синие сферы указывают на частицы газа. Было обнаружено, что это ядро ​​достаточно велико, чтобы быть стабильным и расти. Метки на оси указывают расстояния в микрометрах (одна миллионная часть метра). Фото: P. Schall и соавт.

Нуклеация является начальным этапом образования жидкости из ее паровой фазы. Подумайте о формировании облаков, происходящих, когда крошечные капли воды внезапно образуются из водяного пара, который несет воздух. Эти мельчайшие капли, которые запускают процесс конденсации, называются «ядрами» — хотя их не следует путать с ядрами отдельных атомов — и их роль в начале образования жидкости имеет решающее значение для атмосферных процессов, каталитических реакций и промышленной переработки.

Несмотря на то, что нуклеация изучалась в течение почти столетия, скорость нуклеации по-прежнему трудно предсказать: свойства небольших ядер нанометрового размера, которые решающим образом определяют нуклеацию, такие как их поверхностное натяжение, недостаточно известны и труднодоступны напрямую. Новая техника визуализации использует крошечные сферические частицы для решения этой проблемы.

Ментос и диетическая кола

Эффект зародышеобразования хорошо известен в повседневной жизни. Все знакомы с внезапным разбрызгиванием воды при открытии бутылки газированной воды после того, как ее трясли во время путешествия или транспортировки. Эффект может быть значительно ускорен в знаменитом эксперименте Диета Кока-Ментос. Кусок конфеты Mentos, добавленный в бутылку диетической кока-колы, приводит к взрывному разливу напитка.

Этот всплеск происходит от внезапного зарождения газа (углекислого газа), который растворяется в напитке в концентрации, которая является «слишком высокой», то есть выше, чем уровень его насыщения. При нормальных обстоятельствах зародышеобразование ограничивает скорость этого процесса, поскольку для его образования требуются начальные крошечные пузырьки газа. Создание поверхностей этих газовых пузырьков в жидкости стоит энергии: так называемое поверхностное натяжение. Однако добавление в жидкость примесей или шероховатых поверхностей существенно уменьшает эту энергию нуклеации, что значительно ускоряет процесс нуклеации.

Микрометрические сферы

Зарождение ядра происходит не только тогда, когда газы образуются из жидкостей, но и тогда, когда происходит противоположный процесс, как при образовании облаков. Теперь исследователям удалось непосредственно визуализировать этот обратный процесс — зарождение жидкости из пересыщенного пара. Вместо обычной жидкости они использовали модельный материал, состоящий из крошечных шариков микрометрового размера, взвешенных в растворителе. По аналогии с атомами, эти крошечные частицы могут образовывать все состояния вещества — газа, жидкости и твердого тела — и во многих отношениях их поведение очень напоминает поведение атомов.

Поскольку частицы примерно в десять тысяч раз больше атомов, они могут быть удобно отображены в трех измерениях, что дает богатое прямое представление о процессах атомного масштаба в состояниях вещества, а также о переходах между этими состояниями. Увеличивая притяжение между частицами, исследователи смогли сконденсировать их из газа в жидкое состояние. И наоборот, они могли бы «испарять» конденсированное жидкое состояние обратно в газовое состояние, уменьшая притяжение. Наблюдая за этими процессами под микроскопом, они смогли проследить за развивающимся процессом зародышеобразования с беспрецедентными подробностями и смогли получить трехмерные изображения исходных стабильных ядер, как показано на рисунке 1. Затем исследователи тщательно контролировали формы ядер и из распределение форм может измерять их поверхностное натяжение.

Спор решен

Эти измерения подтверждают предыдущие результаты, полученные с помощью компьютерного моделирования: поверхностное натяжение уменьшается по мере того, как ядро ​​становится меньше, а его поверхность становится все более изогнутой в атомном масштабе. Подтверждение результатов компьютерного моделирования важно, так как эти результаты противоречили предыдущим теоретическим предсказаниям. Прямое измерение жидких ядер теперь решает эту старую полемику и помогает понять и предсказать скорости нуклеации. Кроме того, недавние измерения на Международной космической станции, сделанные некоторыми из тех же исследователей, опубликованы недавно в Europhysics Letters., показали, что процесс нуклеации может также применяться гораздо шире, чем считалось ранее, помимо обычного газожидкостного перехода, к образованию больших кластеров молекул, таких как белки. Таким образом, полученные результаты дают принципиальное представление о начале образования конденсированных состояний вещества в областях от нанонауки до химии и метрологии.

По материалам phys.org