Forskare från UvA:s Institute of Physics (IoP) och Leiden University har hittat ett nytt sätt att visualisera och mäta kärnbildningsprocessen som ansvarar för bildandet av vätskedroppar i ånga. Deras fynd, publiceras denna vecka i Fysiska granskningsbrev , förbättra vår förståelse för processerna i nanoskala som ligger bakom kärnbildningen av vätskor, och hjälpa till att utveckla mer exakta modeller för kärnbildning inom områden från nanovetenskap till atmosfärsvetenskap.

Kärnbildning är det första steget i bildandet av en vätska från dess ångfas. Tänk på bildandet av moln som uppstår när små vattendroppar plötsligt bildas från vattenångan som luften bär. Dessa minsta droppar, som kickstartar kondensationsprocessen, kallas "kärnor" - även om de inte bör förväxlas med kärnorna i enskilda atomer - och deras roll i att starta vätskebildningen är avgörande för atmosfäriska processer, katalytiska reaktioner och industriell bearbetning.

Även om kärnbildning har studerats i nästan ett sekel, kärnbildningshastigheter är fortfarande svåra att förutsäga:egenskaperna hos de små kärnorna i nanometerskala som är avgörande för kärnbildningen, såsom deras ytspänning, är inte välkända och svåra att komma åt direkt. Den nya visualiseringstekniken använder små sfäriska partiklar för att lösa detta problem.

Mentos och Diet Cola

Effekten av kärnbildning är välkänd i det dagliga livet. Alla är bekanta med det plötsliga vattenstänket när man öppnar en flaska kolsyrat vatten efter att den har skakas under resa eller transport. Effekten kan påskyndas dramatiskt i det berömda Diet Coke-Mentos-experimentet. En bit Mentos-godis som läggs till en flaska Diet Cola leder till ett explosionsliknande spill av drycken.

Detta stänk kommer från plötslig kärnbildning av gas (koldioxid) som löses i drycken i en koncentration som är "för hög" – dvs. högre än dess mättnadsnivå. Under normala omständigheter, kärnbildning begränsar takten i denna process, eftersom det kräver initiala små gasbubblor för att bildas. Att skapa ytorna på dessa gasbubblor i vätskan kostar energi:den så kallade ytspänningen. Dock, att lägga till föroreningar eller grova ytor till vätskan minskar denna kärnbildningsenergi avsevärt, på så sätt accelererar kärnbildningsprocessen dramatiskt.

Mikrometerstora sfärer

Kärnbildning sker inte bara när gaser bildas från vätskor, men också när den motsatta processen inträffar, som i bildandet av moln. Forskarna har nu lyckats direkt visualisera denna omvända process, kärnbildning av en vätska från den övermättade ångan. Istället för en vanlig vätska, de använde ett modellmaterial gjord av små, mikrometerstora sfärer suspenderade i ett lösningsmedel. I analogi med atomer, dessa små partiklar kan bilda alla tillstånd av materia – gas, flytande och fasta ämnen – och i många avseenden liknar deras beteende mycket atomers.

Eftersom partiklarna är ungefär tio tusen gånger större än atomer, de kan avbildas bekvämt i tre dimensioner, ger rik, direkt insikt i processer i atomär skala i materiens tillstånd, samt övergångarna mellan dessa stater. Genom att öka attraktionen mellan partiklarna, forskarna kunde kondensera dem från gas till flytande tillstånd. Omvänt, de kunde "avdunsta" det kondenserade flytande tillståndet tillbaka till gastillståndet genom att sänka attraktionen. Att observera dessa processer i ett mikroskop, de kunde följa den utvecklande kärnbildningsprocessen med oöverträffad detalj och lyckades få tredimensionella bilder av initiala stabila kärnor, som visas i figur 1. Forskarna övervakade sedan noggrant formerna på kärnorna och kunde utifrån fördelningen av former mäta deras ytspänning, den avgörande kvantiteten som bestämmer kärnbildning som hittills varit otillgänglig för experiment.

Kontroversen löst

Dessa mätningar bekräftar tidigare resultat som erhölls med datorsimuleringar:ytspänningen minskar när kärnan blir mindre och dess yta blir alltmer krökt i atomskala. Bekräftelsen av datorsimuleringsresultaten är viktig, eftersom dessa resultat stred mot tidigare teoretiska förutsägelser. Den direkta mätningen av flytande kärnor löser nu denna gamla kontrovers, och hjälper till att förstå och förutsäga kärnbildningshastigheter. Dessutom, senaste mätningar i den internationella rymdstationen av några av samma forskare, publicerades nyligen i Europhysics bokstäver , har visat att kärnbildningsprocessen också kan gälla mycket bredare än man tidigare trott, bortom den vanliga gas-vätska-övergången, till bildandet av stora kluster av molekyler såsom proteiner. Resultaten ger därför avgörande insikt i början av bildandet av kondenserade tillstånd av materia inom områden som sträcker sig från nanovetenskap till kemi och metrologi.