2018-12-19 07:10:02
液体成核可视化

液体成核可视化.jpg

来自UvA物理研究所(IoP)和莱顿大学的研究人员发现了一种可视化和测量成核过程的新方法,该过程负责在蒸汽中形成液滴。本周发表于“物理评论快报”的研究结果提高了我们对液体成核所依据的纳米级过程的理解,并有助于从纳米科学到大气科学领域开发更准确的成核模型。

成核是从其气相形成液体的第一步。想想当空气携带的水蒸气突然形成微小水滴时发生的云的形成。这些最微小的液滴,启动冷凝过程,被称为“原子核” - 虽然它们不应与单个原子的原子核相混淆 - 它们在启动液体形成中的作用对于大气过程,催化反应和工业加工至关重要。

虽然已经研究了成核近一个世纪,但成核速率仍然难以预测:关键性地确定成核的小纳米级核的性质,例如它们的表面张力,并不是众所周知的并且难以直接获得。新的可视化技术使用微小的球形粒子来解决这个问题。

Mentos和健怡可乐

成核的效果在日常生活中是众所周知的。每个人都熟悉在旅行或运输过程中摇动后打开一瓶苏打水时突然溅水。在着名的Diet Coke-Mentos实验中,效果可以大大加快。一瓶Mentos糖加入一瓶健怡可乐中,导致饮料爆炸般的溢出。

这种飞溅来自于气体(二氧化碳)的突然成核,其以“太高”的浓度溶解在饮料中 - 即高于其饱和水平。在正常情况下,成核限制了该过程的速度,因为它需要形成初始的微小气泡。在液体中产生这些气泡的表面会产生能量:所谓的表面张力。然而,向液体中添加杂质或粗糙表面会显着降低该成核能量,从而显着加速成核过程。

微米级球体

成核不仅发生在液体形成气体时,而且发生相反过程时,如云的形成。研究人员现已成功直接观察到这一逆过程,即过饱和蒸汽中液体的成核。他们使用的是由悬浮在溶剂中的微小的微米级球体制成的模型材料,而不是普通的液体。与原子类似,这些微小的粒子可以形成物质的所有状态 - 气体,液体和固体 - 并且在许多方面它们的行为与原子的行为非常相似。

因为粒子比原子大一万倍,所以它们可以方便地在三维中成像,从而丰富,直接地了解物质状态中的原子级过程,以及这些状态之间的过渡。通过增加颗粒之间的吸引力,研究人员能够将它们从气体浓缩成液态。相反,它们可以通过降低吸引力将浓缩液态“蒸发”回气态。在显微镜下观察这些过程,他们能够以前所未有的细节跟踪显影成核过程,并设法获得初始稳定原子核的三维图像,如图1所示。研究人员随后仔细监测原子核的形状和来自形状的分布可以测量它们的表面张力,这是决定迄今为止实验无法进入的成核的关键数量。

争议解决了

这些测量证实了使用计算机模拟获得的先前结果:随着核变小并且其表面在原子尺度上变得越来越弯曲,表面张力降低。计算机模拟结果的确认很重要,因为这些结果与先前的理论预测相矛盾。液态核的直接测量现在解决了这一古老的争议,并有助于理解和预测成核速率。此外,最近在“欧洲物理学快报”上发表的一些研究人员最近在国际空间站进行的测量表明,成核过程也可能比以前认为的更广泛,超出常规的气液转换,形成大量分子,如蛋白质。因此,该结果为从纳米科学到化学和计量学等领域的物质凝聚态的开始形成提供了重要的见解。

猜您喜欢的其它内容