Een nieuwe verdampingsdynamica-studie vindt dat zeer kleine druppeltjes langzamer verdampen dan voorspeld door de huidige modellen. Onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau, in samenwerking met het Institute of Physics of the PAS (IP PAS), hebben het verloop van verdamping van druppeltjes ter grootte van micrometers en nanometers beschreven. Het resultaat van het onderzoek, gepresenteerd in het tijdschrift Zachte materie , is een vergelijking die nauwkeurig het verdampingsverloop voorspelt voor druppeltjes van verschillende groottes en vloeistoffen. De vergelijking heeft vele toepassingen, inclusief het construeren van nauwkeurigere klimaatmodellen en het ontwerpen van efficiëntere verbrandingsmotoren of koelunits.

"Op het eerste gezicht, de vertraging van de verdamping van kleine druppeltjes lijkt misschien een effect van weinig betekenis. Echter, elke druppel die in het milieu verdampt heeft eerst moeten verkleinen tot micrometers en daarna nanometers, en is dus door een fase van vertraagde verdamping gegaan, " zegt prof. Robert Holyst (IPC PAS), en merkt op dat een dergelijke dynamiek het klimaat van de aarde in atmosferische wolken vormgeeft. "Als we er rekening mee houden dat het klimaat een toestand is van een bepaald dynamisch evenwicht in de omgeving die relatief gemakkelijk wordt verstoord door zelfs schijnbaar kleine factoren, dan verandert de vertraging van de verdampingssnelheid van kleine druppeltjes van een probleem op laboratoriumschaal naar een wereldwijd fenomeen."

Tijdens verdamping, een sleutelrol wordt gespeeld door de warmtestroom tussen de druppel en de omgeving. In eerdere publicaties natuurkundigen van IPC PAS en IP PAS toonden aan dat verdamping begint op te treden, zelfs wanneer lokale temperatuurverschillen slechts tienduizendste Kelvins zijn. Echter, het transport van energie tussen de vloeistof en de omgeving hoeft niet altijd gerelateerd te zijn aan het bestaan ​​van een temperatuurgradiënt.

"Wanneer een gasmolecuul een vloeistofoppervlak nadert op een afstand van enkele tot een tiental gemiddelde vrije paden, het stopt vrijwel met botsen met andere moleculen in zijn omgeving. Op dit punt, een typische beschrijving van het fenomeen door middel van thermodynamica is niet meer voldoende. Dichtbij het oppervlak van de vloeistof, energietransport vindt op een andere manier plaats, ballistisch. Het gasmolecuul neemt gewoon zijn energie en raakt het oppervlak, soms meerdere keren " zegt Dr. Marek Litniewski (IPC PAS), co-auteur van het onderzoek.

De gemiddelde vrije padlengte van een molecuul in de lucht (d.w.z. van botsing met het ene molecuul tot botsing met het volgende) is maximaal 70 nm. Tijdens verdamping, de ballistische energieoverdracht begint een rol te spelen voor gasmoleculen micrometers verwijderd van het oppervlak van de druppel, die in de omvang van het fenomeen als een relatief grote waarde moet worden beschouwd. De vraag rijst:hoeveel energie kan op deze manier worden overgedragen, en hoe? Hoewel een enkel gasmolecuul botst met een enkel molecuul vloeistof, de laatste is sterker of zwakker gekoppeld aan zijn naaste en verdere buren. Als resultaat, de botsing vindt plaats tussen vele lichamen en de theoretische beschrijving ervan wordt complex.

"Als de daling groot is, het oppervlak vanuit het oogpunt van het gasmolecuul zal praktisch vlak zijn. Daarom, wanneer zo'n molecuul van het oppervlak stuitert, het kan botsen met een ander nabijgelegen gasmolecuul en opnieuw het oppervlak raken, een ander deel van de energie erin deponeren. De situatie verandert wanneer de druppel kleiner wordt en het oppervlak meer en meer gekromd wordt. Het deeltje stuitert dan meestal één keer van het oppervlak, waarna het de ruimte in vliegt. De overdracht van energie naar het inwendige van de vloeistof is dus minder effectief. Als resultaat, de druppels verdampen langzamer naarmate ze kleiner zijn, en het proces kan minstens meerdere keren worden vertraagd, " legt prof. Holyst uit.

Computeranalyses en simulaties werden ondersteund door experimenten uitgevoerd in IP PAS door Dr. Daniel Jakubczyk. Onder zorgvuldig gecontroleerde omstandigheden, een aantal single-drop verdampingssnelheden werden gemeten. De experimenten werden uitgevoerd voor druppels van verschillende groottes en voor vloeistoffen, waaronder water en ethyleenglycol. Het bleek dat het door fysici van IPC PAS voorgestelde model in alle gevallen het verloop van het fenomeen nauwkeurig beschreef. Om in te schatten hoe snel een druppel zou verdampen, het was voldoende om slechts twee parameters te verstrekken:stofmassa en verdampingsenthalpie.

"Verdamping vindt overal om ons heen plaats, altijd en overal. De wetenschap bestudeert het al meer dan 120 jaar, en we dachten dat we er een goed begrip van hadden. Echter, als we kijken naar de details van het verdampingsproces, zien we ineens hoeveel we hebben gemist. Dit leert ons nederigheid - en moedigt ons aan om verder onderzoek te doen, " concludeert prof. Holyst.