Investigadores del Instituto de Física (IoP) de la UvA y la Universidad de Leiden han encontrado una nueva forma de visualizar y medir el proceso de nucleación responsable de la formación de gotas líquidas en vapor. Sus hallazgos, publicado esta semana en Cartas de revisión física , mejorar nuestra comprensión de los procesos a nanoescala subyacentes a la nucleación de líquidos, y ayudar a desarrollar modelos más precisos de nucleación en campos que van desde la nanociencia hasta la ciencia atmosférica.

La nucleación es el paso inicial en la formación de un líquido a partir de su fase de vapor. Piense en la formación de nubes que se produce cuando de repente se forman pequeñas gotas de agua a partir del vapor de agua que transporta el aire. Estas gotitas más diminutas, que ponen en marcha el proceso de condensación, se denominan 'núcleos', aunque no deben confundirse con los núcleos de átomos individuales, y su papel en el inicio de la formación de líquidos es crucial para los procesos atmosféricos. reacciones catalíticas y procesamiento industrial.

Si bien la nucleación se ha estudiado durante casi un siglo, las tasas de nucleación siguen siendo difíciles de predecir:las propiedades de los pequeños núcleos a escala nanométrica que determinan de manera crucial la nucleación, como su tensión superficial, no son muy conocidos y de difícil acceso directamente. La nueva técnica de visualización utiliza pequeñas partículas esféricas para resolver este problema.

Mentos y Coca-Cola Light

El efecto de la nucleación es bien conocido en la vida diaria. Todo el mundo está familiarizado con las salpicaduras repentinas de agua al abrir una botella de agua con gas después de haber sido agitada durante el viaje o el transporte. El efecto puede acelerarse drásticamente en el famoso experimento Diet Coke-Mentos. Un trozo de caramelo Mentos añadido a una botella de Diet Coke provoca un derrame de la bebida similar a una explosión.

Esta salpicadura proviene de la nucleación repentina de gas (dióxido de carbono) que se disuelve en la bebida a una concentración que es 'demasiado alta', es decir, más alto que su nivel de saturación. Bajo circunstancias normales, la nucleación limita el ritmo de este proceso, ya que requiere que se formen pequeñas burbujas de gas iniciales. Crear las superficies de estas burbujas de gas en el líquido cuesta energía:la llamada tensión superficial. Sin embargo, la adición de impurezas o superficies rugosas al líquido reduce sustancialmente esta energía de nucleación, acelerando así el proceso de nucleación dramáticamente.

Esferas de tamaño micrométrico

La nucleación no solo ocurre cuando los gases se forman a partir de líquidos, pero también cuando ocurre el proceso contrario, como en la formación de nubes. Los investigadores ahora han logrado visualizar directamente este proceso inverso, la nucleación de un líquido a partir del vapor sobresaturado. En lugar de un líquido normal, utilizaron un material modelo hecho de diminutos, esferas micrométricas suspendidas en un disolvente. En analogía con los átomos, estas diminutas partículas pueden formar todos los estados de la materia:gas, líquidos y sólidos, y en muchos aspectos su comportamiento se parece mucho al de los átomos.

Debido a que las partículas son unas diez mil veces más grandes que los átomos, se pueden tomar imágenes cómodamente en tres dimensiones, dando ricos, conocimiento directo de los procesos a escala atómica en los estados de la materia, así como las transiciones entre estos estados. Al aumentar la atracción entre las partículas, los investigadores pudieron condensarlos de un estado gaseoso a uno líquido. En cambio, podrían "evaporar" el estado líquido condensado de nuevo al estado gaseoso reduciendo la atracción. Observando estos procesos en un microscopio, pudieron seguir el proceso de nucleación en desarrollo con un detalle sin precedentes y lograron obtener imágenes tridimensionales de núcleos estables iniciales, como se muestra en la Figura 1. Luego, los investigadores monitorearon cuidadosamente las formas de los núcleos y, a partir de la distribución de las formas, pudieron medir su tensión superficial, la cantidad crucial que determina la nucleación que hasta ahora había sido inaccesible para los experimentos.

Controversia resuelta

Estas mediciones confirman resultados anteriores que se obtuvieron mediante simulaciones por computadora:la tensión superficial disminuye a medida que el núcleo se vuelve más pequeño y su superficie se vuelve cada vez más curvada a escala atómica. La confirmación de los resultados de la simulación por computadora es importante, ya que estos resultados contradecían predicciones teóricas previas. La medición directa de núcleos líquidos ahora resuelve esta vieja controversia, y ayuda a comprender y predecir las tasas de nucleación. Además, mediciones recientes en la Estación Espacial Internacional por algunos de los mismos investigadores, publicado recientemente en Cartas de Eurofísica , han demostrado que el proceso de nucleación también puede aplicarse mucho más de lo que se pensaba anteriormente, más allá de la transición regular gas-líquido, a la formación de grandes grupos de moléculas como las proteínas. Por lo tanto, los resultados brindan información crucial sobre la formación inicial de estados condensados ​​de la materia en campos que van desde la nanociencia hasta la química y la metrología.