Onderzoekers van het Institute of Physics (IoP) van de UvA en de Universiteit Leiden hebben een nieuwe manier gevonden om het nucleatieproces dat verantwoordelijk is voor de vorming van vloeistofdruppeltjes in damp te visualiseren en te meten. Hun bevindingen, deze week gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ons begrip te verbeteren van de processen op nanoschaal die ten grondslag liggen aan de kiemvorming van vloeistoffen, en helpen om nauwkeurigere modellen van nucleatie te ontwikkelen op gebieden van nanowetenschap tot atmosferische wetenschap.

Nucleatie is de eerste stap in de vorming van een vloeistof uit de dampfase. Denk aan de vorming van wolken die optreden wanneer zich plotseling kleine waterdruppels vormen uit de waterdamp die de lucht meevoert. Deze kleinste druppeltjes, die het condensatieproces op gang brengen, worden 'kernen' genoemd - hoewel ze niet moeten worden verward met de kernen van individuele atomen - en hun rol bij het starten van de vloeistofvorming is cruciaal voor atmosferische processen, katalytische reacties en industriële verwerking.

Hoewel nucleatie al bijna een eeuw wordt bestudeerd, snelheden van nucleatie blijven moeilijk te voorspellen:de eigenschappen van de kleine nanometerschaal kernen die cruciaal de nucleatie bepalen, zoals hun oppervlaktespanning, zijn niet goed bekend en moeilijk direct toegankelijk. De nieuwe visualisatietechniek gebruikt kleine bolvormige deeltjes om dit probleem op te lossen.

Mentos en cola light

Het effect van kiemvorming is algemeen bekend in het dagelijks leven. Iedereen kent het plotseling opspattend water bij het openen van een fles bruisend water nadat het tijdens reizen of transport is geschud. Het effect kan drastisch worden versneld in het beroemde Diet Coke-Mentos-experiment. Een stuk Mentos-snoep toegevoegd aan een fles cola light leidt tot een explosie-achtige verspilling van de drank.

Deze plons komt van de plotselinge kiemvorming van gas (kooldioxide) dat in de drank wordt opgelost in een concentratie die 'te hoog' is - dat wil zeggen, hoger dan het verzadigingsniveau. Onder normale omstandigheden, nucleatie beperkt het tempo van dit proces, omdat het de eerste kleine gasbelletjes nodig heeft om zich te vormen. Het creëren van de oppervlakken van deze gasbellen in de vloeistof kost energie:de zogenaamde oppervlaktespanning. Echter, het toevoegen van onzuiverheden of ruwe oppervlakken aan de vloeistof vermindert deze kiemvormingsenergie aanzienlijk, waardoor het kiemvormingsproces drastisch wordt versneld.

Bollen ter grootte van een micrometer

Nucleatie vindt niet alleen plaats wanneer gassen worden gevormd uit vloeistoffen, maar ook wanneer het tegenovergestelde proces plaatsvindt, zoals bij de vorming van wolken. De onderzoekers zijn er nu in geslaagd om dit inverse proces direct te visualiseren, de kiemvorming van een vloeistof uit de oververzadigde damp. In plaats van een normale vloeistof, ze gebruikten een modelmateriaal gemaakt van kleine, bolletjes ter grootte van een micrometer, gesuspendeerd in een oplosmiddel. Analoog aan atomen, deze kleine deeltjes kunnen alle toestanden van materie vormen - gas, vloeibare en vaste stoffen - en in veel opzichten lijkt hun gedrag sterk op dat van atomen.

Omdat de deeltjes ongeveer tienduizend keer groter zijn dan atomen, ze kunnen gemakkelijk in drie dimensies worden afgebeeld, rijk geven, direct inzicht in processen op atomaire schaal in de toestanden van materie, evenals de overgangen tussen deze toestanden. Door de aantrekkingskracht tussen de deeltjes te vergroten, de onderzoekers konden ze condenseren van een gas naar een vloeibare toestand. Omgekeerd, ze zouden de gecondenseerde vloeibare toestand terug kunnen 'verdampen' in de gastoestand door de aantrekkingskracht te verlagen. Door deze processen onder een microscoop te observeren, ze waren in staat om het zich ontwikkelende kiemvormingsproces met ongekend detail te volgen en slaagden erin om driedimensionale beelden te verkrijgen van aanvankelijk stabiele kernen, zoals weergegeven in figuur 1. De onderzoekers volgden vervolgens zorgvuldig de vormen van de kernen en konden aan de hand van de verdeling van vormen hun oppervlaktespanning meten, de cruciale kwantiteit die de kiemvorming bepaalt die tot nu toe ontoegankelijk was voor experimenten.

Controverse opgelost

Deze metingen bevestigen eerdere resultaten die werden verkregen met computersimulaties:de oppervlaktespanning neemt af naarmate de kern kleiner wordt en het oppervlak op atomaire schaal steeds meer gekromd. De bevestiging van de computersimulatieresultaten is belangrijk, omdat deze resultaten in tegenspraak waren met eerdere theoretische voorspellingen. De directe meting van vloeibare kernen lost nu deze oude controverse op, en helpt bij het begrijpen en voorspellen van nucleatiesnelheden. In aanvulling, recente metingen in het internationale ruimtestation door enkele van dezelfde onderzoekers, onlangs gepubliceerd in Eurofysica-brieven , hebben aangetoond dat het kiemvormingsproces ook veel breder kan worden toegepast dan eerder werd gedacht, voorbij de reguliere gas-vloeistof overgang, tot de vorming van grote clusters van moleculen zoals eiwitten. De resultaten geven dus cruciaal inzicht in de beginnende vorming van gecondenseerde toestanden van materie op gebieden variërend van nanowetenschap tot chemie en metrologie.