ENGINEERINGNET.BE - Nucleatie is de eerste stap in de vorming van een vloeistof vanuit de dampfase. Deze allerkleinste druppels, die het condensatieproces op gang brengen, heten ‘kernen’. Hun rol in het opstarten van de vloeistofvorming is cruciaal voor processen in de atmosfeer, katalytische reacties en industriële processen.
Hoewel nucleatie al bijna een eeuw bestudeerd wordt, blijft het moeilijk om de snelheid van het proces te voorspellen: de eigenschappen van de kleine, nanometers grote kernen die de nucleatie bepalen zijn niet goed bekend en lastig te meten.
De onderzoekers zijn er nu in geslaagd om de nucleatie van een vloeistof vanuit oververzadigde damp direct te visualiseren. In plaats van een normale vloeistof gebruikten ze hiervoor een modelmateriaal dat is opgebouwd uit minuscule, micrometers grote bolletjes die in een oplosmiddel zweven.
Net als echte atomen kunnen deze deeltjes alle toestanden van materie aannemen (gas, vloeistof en vaste stof) en ze gedragen zich ook in veel andere opzichten net als atomen.
Omdat de deeltjes zo’n tienduizend keer groter zijn dan atomen, kunnen ze gemakkelijk driedimensionaal afgebeeld worden, wat een rijk inzicht verschaft in processen op de atomaire schaal in de verschillende toestanden van materie, en in de overgangen tussen die toestanden.
Door de aantrekkende kracht tussen de deeltjes te laten toenemen, konden de onderzoekers ze laten condenseren van een gasvormige naar een vloeibare toestand. Omgekeerd konden ze de gecondenseerde vloeistoftoestand ook laten ‘verdampen’ door de aantrekking te verminderen.
Door deze processen onder de microscoop te bekijken, konden de wetenschappers het nucleatieproces in detail volgen. Ook slaagden ze erin om driedimensionale afbeeldingen te maken van de vormen van de kernen.
Uit de verschillende vormen kon vervolgens de oppervlaktespanning bepaald worden: de cruciale grootheid die de nucleatie drijft en die tot nu toe niet in experimenten gemeten kon worden. De metingen bevestigen eerdere resultaten die met behulp van computersimulaties waren verkregen.
Op de afbeelding:
Een vloeistofkern, waargenomen met behulp van modeldeeltjes die de atomen voorstellen. De rode bolletjes zijn de vloeistof-achtige deeltjes, de blauwe bolletjes geven gasdeeltjes weer. Deze kern bleek in de waarnemingen precies groot genoeg om stabiel te blijven en te gaan groeien. De afstanden langs de assen zijn weergegeven in micrometers. (P. Schall et al.)
