Wie entstehen Wassertropfen, die fast überall sind? Das Prinzip der Tröpfchenbildung ist nicht einfach

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Wassertropfen und -blasen kommen fast überall vor, vom Kaffeekochen über komplexe Industrieprozesse bis hin zu Vulkanausbrüchen. Neue Forschungsergebnisse der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie und der Norwegischen Universität für Normalpädagogik haben unser Verständnis der Entstehung dieser Blasen und Tröpfchen verbessert, was die Modellierung des Klimawandels verbessern könnte. Das Verständnis der Tröpfchenbildung in reinem Wasser ist in einer kontrollierten Laborumgebung schon eine Herausforderung genug, aber in der Atmosphäre bilden sich Tröpfchen in Gegenwart vieler anderer Substanzen. Einige von ihnen, wie Stickstoff, Sauerstoff und Argon, interagieren nicht stark mit Wasser und sind leicht zu erklären.

Die Störung entsteht durch Tenside, Substanzen, die gerne auf der Oberfläche von Flüssigkeitströpfchen haften bleiben. Wenn Sie schon einmal gesehen haben, wie Wasser auf einer harten Oberfläche Perlen bildet, haben Sie die Oberflächenspannung des Wassers in Aktion erlebt. Die Wassermoleküle werden stärker voneinander angezogen als von den Molekülen in der Luft, wodurch sie möglichst fest aneinander haften und der Tropfen eine Kuppel bildet. Ein Beispiel für ein Tensid ist Ethanol, das in Bier, Wein, Champagner und anderen alkoholischen Getränken enthalten ist. In einem Tropfen Champagner lagern sich die Ethanolmoleküle auf der Oberfläche an, wodurch die Oberflächenspannung erheblich reduziert wird.

Die Mängel der klassischen Theorie

Ailo Aasen, Forscher an der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens, konzentriert sich auf die Keimbildung in Gegenwart von Verunreinigungen. Seine Erkenntnisse, die kürzlich in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht wurden, sind für verschiedene industrielle Prozesse relevant, insbesondere für die Atmosphärenwissenschaft und die Klimamodellierung. Bevor sich Wassertropfen in der Atmosphäre bilden, müssen genügend zufällige Kollisionen zwischen Wassermolekülen stattfinden, um die Keime oder „Kerne“ der Tropfen zu bilden. Das winzige Tröpfchen im Nanometerbereich wird als kritischer Kern bezeichnet und seine Entstehung als Nukleation. Diese nanometergroßen Tröpfchen bilden sich normalerweise um Staubpartikel herum, wobei sich oberflächenaktive Verunreinigungen auf den Tröpfchenoberflächen ansammeln. Wenn sich ein ausreichend großer Tropfen bildet, wächst dieser spontan.

Ein Hauptziel der Nukleationstheorie besteht darin, die Natur dieses kritischen „Wassertropfenkeims“ zu verstehen. In einem Regentropfen gibt es zwei Arten von Wassermolekülen: solche im Inneren des Tropfens und solche auf der Oberfläche des Tropfens. Wassertropfen sind rund, daher haben Wassermoleküle auf der Oberfläche weniger Nachbarmoleküle als Moleküle im Inneren des Tropfens. Je kleiner der Tropfen ist, desto größer ist der Anteil seiner Moleküle auf der Oberfläche. Der Tröpfchenkern muss eine kritische Größe erreichen, bevor er weiter wachsen kann, da er die Oberflächenspannung überwinden muss, die durch die geringe Anzahl von Molekülen außerhalb des Tröpfchens verursacht wird. Je geringer die Oberflächenspannung ist, desto leichter können sich Tröpfchen bilden.

Hier können Verunreinigungen große Auswirkungen haben: Tenside verringern die Oberflächenspannung zwischen den Wassertropfen und der Luft. Es ist ersichtlich, dass eine geringe Konzentration an Tensidverunreinigungen die Geschwindigkeit der Wassertropfenbildung erheblich erhöhen kann. Da bei der Bildung von Regentropfen oberflächenaktive Substanzen wie Schwefelsäure und Ammoniak in geringen Konzentrationen vorhanden sein können, kann dies ein wichtiger Eingangsparameter für Wettervorhersagen und Klimamodelle sein. Wenn oberflächenaktive Verunreinigungen vorhanden sind, versagt die klassische Keimbildungstheorie gravierend.

Berücksichtigung der Krümmung

Wenn sich die Tröpfchen in Gegenwart von Alkohol bilden, können die Vorhersagen der Tröpfchenbildungsrate um mehr als den Faktor 20 abweichen. Tatsächlich sagt die klassische Theorie voraus, dass sich 10^20-mal weniger Tröpfchen bilden werden, als die Forscher in ihrem Experiment tatsächlich gemessen haben. Um diese Zahl in einen Kontext zu setzen: Es gibt etwa 10^11 Sterne in der Milchstraße – eine Milliarde Mal weniger als diese Zahl. Die klassische Theorie ist nicht nur äußerst ungenau, sie macht auch physikalisch unmögliche Vorhersagen. In einigen Fällen, beispielsweise bei Wasser-Ethanol, wird vorhergesagt, dass die Anzahl der Wassermoleküle im Tropfen negativ ist, was natürlich unmöglich ist.

Die Hypothese hinter Aasens Forschung ist, dass diese Unterschiede auf einer Annahme in der Theorie beruhen, die besagt, dass der Kern kugelförmig ist, aber die gleiche Oberflächenspannung wie eine völlig flache Oberfläche hat. Ein Teil des Problems besteht darin, dass es schwierig ist, das Verhalten der Oberflächenspannung während der Keimbildung abzuschätzen. Daher geht man in der klassischen Theorie davon aus, dass die Oberflächenspannung im Tropfen dieselbe ist wie auf einer flachen Oberfläche, was die Berechnungen vereinfacht. Die winzigen Tröpfchenkerne, die sich in der Atmosphäre bilden, sind nur wenige Nanometer groß und stark gekrümmt. Es wird angenommen, dass die Oberflächenspannung der Keimbildung dieselbe ist wie bei einer vollkommen flachen Oberfläche. Dies ist der Hauptgrund, warum die klassische Theorie nicht immer zutrifft.

In der Studie wurde ein komplexes Modell der Tropfenoberfläche verwendet, kombiniert mit einem genauen thermodynamischen Modell der Flüssigkeit und des Dampfes, um die klassische Theorie zu verbessern. Durch die korrekte Einbeziehung einer präziseren Darstellung der Oberflächenspannung in die Theorie, die den Grad der Tropfenkrümmung berücksichtigt, konnten sie die theoretischen Vorhersagen der Keimbildungsraten mit den tatsächlich in Experimenten beobachteten Werten in Einklang bringen und so die Abweichung von mehr als 20 Größenordnungen auf weniger als zwei reduzieren. Auch die manchmal bizarren, physikalisch unmöglichen Vorhersagen der klassischen Nukleationstheorie sind verschwunden.

Ein tieferes Verständnis der Tröpfchenbildung und der Verfahren zu ihrer Modellierung könnte weit über die Klimawissenschaft hinaus von Nutzen sein: Diese Theorie und dieser Rahmen haben das Potenzial, die Beschreibung und das Verständnis zahlreicher Phänomene in den kommenden Jahren zu verbessern.

Bo Ke Yuan | Forschung/Von: Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie

Referenzzeitschrift: Physical Review Letters

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