Se forman gotas y burbujas en casi todas partes, de hervir nuestro café de la mañana, a complejos procesos industriales e incluso erupciones volcánicas. Nueva investigación de SINTEF y NTNU en Noruega, mejora nuestra comprensión de cómo se forman estas burbujas y gotitas. Esto podría mejorar nuestra capacidad para modelar el cambio climático.

Comprender la formación de gotas en agua pura en un entorno de laboratorio controlado es lo suficientemente desafiante, pero en la atmósfera, las gotitas se forman en presencia de muchas otras sustancias.

Algunos, como el nitrógeno, oxígeno y argón, no interactúan mucho con el agua y son fáciles de contabilizar. Las complicaciones surgen de especies tensioactivas, a saber, sustancias que prefieren permanecer en la superficie de la gota.

Ha visto la tensión superficial del agua en acción si alguna vez ha visto una gota de agua sobre una superficie dura. Las moléculas de agua se atraen más entre sí que a las moléculas del aire, haciendo que se aferren tan fuerte como puedan, haciendo que la gota forme una cúpula.

Un ejemplo de una especie tensoactiva es el etanol, que se encuentra en la cerveza, vino, champán y otras bebidas alcohólicas. En una gota de champán, las moléculas de etanol se acumulan en la superficie y reducen drásticamente su tensión superficial.

Investigador de SINTEF Ailo Aasen, quien recientemente completó su Ph.D. en NTNU, parcialmente centrado en la nucleación en presencia de impurezas. Los resultados, publicado recientemente en la prestigiosa revista Cartas de revisión física , son relevantes para diversos procesos industriales pero especialmente la ciencia atmosférica y los modelos climáticos.

Las deficiencias de la teoría clásica.

Antes de que se forme una gota de agua en la atmósfera, deben ocurrir suficientes colisiones aleatorias entre las moléculas de agua para formar una semilla, o "núcleo, "para la gota. La pequeña, gotita de agua de tamaño nanométrico se llama núcleo crítico, y su formación se conoce como nucleación. Estas gotas de tamaño nanométrico se forman típicamente alrededor de partículas de polvo, y las impurezas tensioactivas se acumulan en la superficie de la gota. Después de que se haya formado una gota lo suficientemente grande, crecerá espontáneamente.

"Un objetivo principal de la teoría de la nucleación es comprender las propiedades de esta" semilla de gota "crítica. En una gota de lluvia, las moléculas de agua son de dos tipos:las del interior de la gota, y los de la superficie, "Dice Ailo.

Una gota es redonda de modo que las moléculas de agua de la superficie tienen menos vecinas que las del interior de la gota. Cuanto más pequeña es una gota, cuanto mayor sea la porción de sus moléculas en la capa superficial.

El núcleo tiene que alcanzar un tamaño crítico para seguir creciendo, porque tiene que superar la tensión superficial que resulta de la menor cantidad de moléculas en el exterior de la gota. Cuanto menor sea la tensión superficial, más fácil será que se forme la gota. Según Ailo, aquí es donde las impurezas pueden marcar una gran diferencia:"Las especies de superficie activa reducen la tensión superficial entre la gota y el aire. Vemos que una concentración mínima de una impureza de superficie activa puede aumentar drásticamente la tasa de formación de gotas. especies activas como el ácido sulfúrico y el amoníaco pueden estar presentes en bajas concentraciones durante la formación de gotas de lluvia, es probable que esto sea un aporte importante para los pronósticos meteorológicos y los modelos climáticos ".

Teniendo en cuenta la curvatura

La teoría clásica de la nucleación falla espectacularmente cuando hay presentes impurezas tensioactivas. Por ejemplo, si se forman gotas de agua en presencia de alcoholes, Las predicciones de la velocidad a la que se forman las gotas pueden diferir en más de un factor de 20. De hecho, la teoría clásica predice que se forman 10 ^ 20 (10 seguido de 19 ceros) menos gotas de las que los investigadores pueden medir en los experimentos. Para poner este número en contexto, el número de estrellas en la Vía Láctea es aproximadamente 10 ^ 11 (10 seguido de 19 ceros), mil millones de veces menor.

Además de ser extremadamente inexacto, la teoría clásica hace predicciones que son físicamente imposibles. En algunos casos, como el agua-etanol, predice que hay un número negativo de moléculas de agua en la gota, que por supuesto es imposible.

La hipótesis detrás de la investigación de Aasen fue que estas discrepancias se derivan de una suposición en la teoría, que considera que el núcleo es esférico pero que tiene la misma tensión superficial que una superficie completamente plana.

Parte del problema aquí es que es muy difícil estimar cómo se comporta la tensión superficial durante la nucleación, por lo que la teoría clásica incluye el supuesto de que la tensión superficial en una gota es la misma que se encuentra en una superficie plana, que simplifica los cálculos, Ailo explica.

Los diminutos núcleos formados en la atmósfera tienen solo unos pocos nanómetros de ancho y están muy curvados. Asumir que los núcleos tienen la misma tensión superficial que una superficie completamente plana es una de las principales razones por las que la teoría clásica no siempre funciona.

Ailo y sus colegas utilizaron un modelo sofisticado para la superficie de la gota, junto con un modelo termodinámico preciso para el líquido y el vapor, para mejorar la teoría clásica.

Al incluir adecuadamente una representación más precisa de la tensión superficial en la teoría que explica qué tan curvada es la gota, fueron capaces de reconciliar las predicciones teóricas de las tasas de nucleación con las realmente observadas en los experimentos, reduciendo la discrepancia de más de 20 a menos de dos órdenes de magnitud. El raro, También desaparecieron las predicciones físicamente imposibles hechas a veces por la teoría clásica de la nucleación.

Aasen fue supervisada por Øivind Wilhelmsen en SINTEF, cuyo trabajo de 2016 sobre interfaces vapor-líquido proporcionó la base para la nueva investigación. Él cree que la comprensión más profunda de la formación de gotas y un procedimiento para modelarla puede traer beneficios mucho más allá de la ciencia climática:"Esta teoría y marco tienen el potencial de mejorar la descripción y comprensión de tantos fenómenos en los próximos años, desde los procesos industriales hasta ".