En matematisk modell som förutsäger hur vatten kondenserar runt små partiklar kan hjälpa till att förbättra kemiska industriella processer, inklusive tillverkning av läkemedelstabletter, gödningsmedel och katalysatorer.

Tidigare kondensationsmodeller skiljer sig åt i sina hastighetsförutsägelser, beroende på faktorer som formen och sammansättningen av ytan som droppen växer på. Fong Yew Leong från A*STAR Institute of High Performance Computing ville utveckla en mer realistisk teoretisk modell för att hjälpa sina medarbetare att förstå deras experimentella kondensationsresultat. "Det är här som modellering och beräkning blir riktigt användbar, genom att tillhandahålla fysiska insikter som inte kan erhållas från experiment, säger Leong.

Han och hans kollegor modellerade en vattendroppe som växte i springan mellan en mikrometerstor partikel och en plan yta. Deras modell tar hänsyn till faktorer som partikelstorlek, droppens ytspänning, och hur mycket den underliggande ytan attraherar eller stöter bort vatten.

Modellen visar, till exempel, att en växande droppe täcker en vattenattraherande (hydrofil) yta snabbare än en vattenavvisande (hydrofob) yta. Volymen av en droppe ökar initialt långsammare på en hydrofob yta, men går sedan snabbare när droppen blir mer konvex. "Droppen krymper inte under kondens, den väter istället partikeln helt, säger Leong.

Teamet genomförde experiment för att testa sin modell, filma hur vatten kondenserade runt mikronstora kiseldioxidpartiklar på en glasskiva (se bild). De såg att vatten alltid kondenserade i springan mellan en partikel och rutschbanan, snarare än att bilda fristående droppar på ytan, och fann att dropparnas tillväxt var nästan densamma som den som förutspåddes av deras modell. Forskarna anpassade också modellen för att förutsäga tillväxten av droppar runt kluster av partiklar.

Dessa resultat visar att det inte är möjligt att exakt simulera kondens baserat på en enda faktor, säger laget. Verkligen, det verkar som om det finns en konkurrens mellan partikeln och substratet som avgör hur snabbt var och en täcks av vatten när droppen kondenserar. "Det pekar på betydande konsekvenser för vätning i liten skala, " säger Leong. Teamet hoppas nu kunna modellera kondensation och vätskeinteraktioner på ännu mindre längdskalor.