Bijna overal worden druppeltjes en bellen gevormd, van het koken van onze ochtendkoffie, tot complexe industriële processen en zelfs vulkaanuitbarstingen. Nieuw onderzoek van SINTEF en NTNU in Noorwegen, verbetert ons begrip van hoe deze bellen en druppeltjes worden gevormd. Dit zou ons vermogen om klimaatverandering te modelleren verbeteren.

Het begrijpen van druppelvorming in zuiver water in een gecontroleerde laboratoriumomgeving is al uitdagend genoeg, maar in de atmosfeer druppeltjes vormen zich in de aanwezigheid van vele andere stoffen.

Sommigen van hen, zoals stikstof, zuurstof en argon, hebben niet veel interactie met water en zijn gemakkelijk te verklaren. De complicaties komen voort uit oppervlakte-actieve soorten, namelijk stoffen die liever op het oppervlak van de druppel blijven.

Je hebt de oppervlaktespanning van water in actie gezien als je ooit een waterparel op een hard oppervlak hebt gezien. De watermoleculen worden meer door elkaar aangetrokken dan door de moleculen in de lucht, waardoor ze zich zo stevig mogelijk aan elkaar vastklampen, waardoor de druppel een koepel vormt.

Een voorbeeld van een oppervlakteactieve stof is ethanol, die in bier wordt gevonden, wijn, champagne en andere alcoholische dranken. In een druppel champagne, de ethanolmoleculen stapelen zich op aan het oppervlak en verlagen de oppervlaktespanning drastisch.

SINTEF-onderzoeker Ailo Aasen, die onlangs zijn Ph.D. bij NTNU, deels gericht op kiemvorming in aanwezigheid van onzuiverheden. De resultaten, onlangs gepubliceerd in het prestigieuze tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , zijn relevant voor diverse industriële processen, maar vooral voor atmosferische wetenschap en klimaatmodellen.

De tekortkomingen van de klassieke theorie

Voordat zich een waterdruppel in de atmosfeer kan vormen, er moeten genoeg willekeurige botsingen tussen watermoleculen plaatsvinden om een ​​zaadje te vormen, of "kern, " voor de druppel. De kleine, druppel water van nanoformaat wordt een kritische kern genoemd, en de vorming ervan staat bekend als nucleatie. Deze druppeltjes van nanogrootte vormen zich meestal rond stofdeeltjes, en oppervlakte-actieve onzuiverheden stapelen zich op aan het druppeloppervlak. Nadat een voldoende grote druppel is gevormd, het zal spontaan groeien.

"Een belangrijk doel van de kiemvormingstheorie is om de eigenschappen van dit kritieke "druppelzaad" te begrijpen. de watermoleculen zijn van twee soorten:die in het binnenste van de druppel, en die aan de oppervlakte, ' zegt Ailo.

Een druppel is rond, zodat de watermoleculen aan het oppervlak minder buren hebben dan die in de druppel. Hoe kleiner een druppel, hoe groter het deel van zijn moleculen in de oppervlaktelaag.

De kern moet een kritische grootte bereiken om te blijven groeien, omdat het de oppervlaktespanning moet overwinnen die het gevolg is van het kleinere aantal moleculen aan de buitenkant van de druppel. Hoe kleiner de oppervlaktespanning, hoe gemakkelijker het is om de druppel te vormen. Volgens Ailo, dit is waar onzuiverheden een groot verschil kunnen maken:"Oppervlakte-actieve soorten verminderen de oppervlaktespanning tussen de druppel en de lucht. We zien dat een minieme concentratie van een oppervlakte-actieve onzuiverheid de snelheid van druppelvorming dramatisch kan verhogen. Aangezien oppervlakte-actieve actieve soorten zoals zwavelzuur en ammoniak kunnen in lage concentraties aanwezig zijn tijdens de vorming van regendruppels, dit is waarschijnlijk een belangrijke input voor weersvoorspellingen en klimaatmodellen."

Rekening houden met kromming

De klassieke kiemvormingstheorie faalt spectaculair wanneer oppervlakteactieve onzuiverheden aanwezig zijn. Bijvoorbeeld, als waterdruppels worden gevormd in aanwezigheid van alcoholen, voorspellingen van de snelheid waarmee druppeltjes worden gevormd, kunnen meer dan een factor 20 afwijken. de klassieke theorie voorspelt dat er 10^20 (10 gevolgd door 19 nullen) minder druppeltjes worden gevormd dan onderzoekers daadwerkelijk kunnen meten in experimenten. Om dit nummer in context te plaatsen, het aantal sterren in de Melkweg is ongeveer 10^11 (10 gevolgd door 19 nullen) - een miljard keer lager.

Behalve dat het zeer onnauwkeurig is, de klassieke theorie maakt voorspellingen die fysiek onmogelijk zijn. In sommige gevallen, zoals voor water-ethanol, het voorspelt dat er een negatief aantal watermoleculen in de druppel zit, wat natuurlijk onmogelijk is.

De hypothese achter het onderzoek van Aasen was dat deze discrepanties voortkomen uit een aanname in de theorie, die de kern als bolvormig beschouwt maar dezelfde oppervlaktespanning heeft als een volledig vlak oppervlak.

Een deel van het probleem hier is dat het erg moeilijk is om in te schatten hoe oppervlaktespanning zich gedraagt ​​tijdens kiemvorming, dus de klassieke theorie omvat de aanname dat de oppervlaktespanning in een druppel hetzelfde is als op een plat oppervlak, wat berekeningen vereenvoudigt, legt Ailo uit.

De minuscule kernen die in de atmosfeer worden gevormd, zijn slechts enkele nanometers breed en sterk gekromd. Ervan uitgaande dat de kernen dezelfde oppervlaktespanning hebben als een volledig vlak oppervlak, is een belangrijke reden waarom de klassieke theorie niet altijd werkt.

Ailo en zijn collega's gebruikten een geavanceerd model voor het druppeloppervlak, gekoppeld aan een nauwkeurig thermodynamisch model voor de vloeistof en de damp, om de klassieke theorie te verbeteren.

Door een nauwkeuriger weergave van de oppervlaktespanning in de theorie op te nemen die verklaart hoe gekromd de druppel is, ze waren in staat om de theoretische voorspellingen van nucleatiesnelheden te verzoenen met die daadwerkelijk waargenomen in experimenten, het verschil van meer dan 20 tot minder dan twee ordes van grootte te verminderen. De rare, fysiek onmogelijke voorspellingen die soms door de klassieke nucleatietheorie werden gedaan, verdwenen ook.

Aasen werd begeleid door Øivind Wilhelmsen bij SINTEF, wiens werk in 2016 aan damp-vloeistof-interfaces de basis vormde voor het nieuwe onderzoek. Hij gelooft dat een dieper begrip van druppelvorming en een procedure om het te modelleren voordelen kan opleveren die veel verder gaan dan de klimaatwetenschap:"Deze theorie en dit raamwerk hebben het potentieel om de beschrijving en het begrip van zoveel fenomenen in de komende jaren te verbeteren, van industriële processen tot ."