幾乎無處不在的水滴，是如何形成的？液滴形成背后的原理可真不簡單

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水滴和氣泡幾乎無處不在，從煮的咖啡，到復(fù)雜的工業(yè)過程，甚至火山噴發(fā)。挪威科技大學(xué)和挪威國立師范大學(xué)的新研究，提高了我們對這些氣泡和液滴如何形成的理解，這可以提高模擬氣候變化的能力。在受控的實(shí)驗室環(huán)境中理解純水中液滴的形成，是足夠具有挑戰(zhàn)性的，但在大氣中，液滴是在許多其他物質(zhì)存在的情況下形成。它們中的一些，如氮、氧和氬，與水的相互作用不大，很容易解釋。

混亂產(chǎn)生于表面活性物質(zhì)，即喜歡停留在液滴表面的物質(zhì)。如果你見過硬表面上的水珠，你就會看到水的表面張力在起作用。水分子更多地相互吸引，而不是與空氣中的分子吸引，導(dǎo)致它們盡可能緊密地粘在一起，導(dǎo)致水滴形成圓頂。表面活性物質(zhì)的一個例子是乙醇，它存在于啤酒、葡萄酒、香檳和其他酒精飲料中。在一滴香檳中，乙醇分子堆積在表面，極大地降低了其表面張力。

經(jīng)典理論的缺陷

挪威科技大學(xué)研究員Ailo Aasen專注于雜質(zhì)存在下的成核，他新發(fā)表在《物理評論快報》期刊上的研究結(jié)果與不同的工業(yè)過程有關(guān)，特別是大氣科學(xué)和氣候模型。在大氣中形成水滴之前，水分子之間必須發(fā)生足夠的隨機(jī)碰撞，才能形成水滴的種子或“核”。微小的、納米大小的水滴被稱為臨界核，它的形成被稱為成核。這些納米尺寸的液滴通常在塵埃顆粒周圍形成，表面活性雜質(zhì)堆積在液滴表面。當(dāng)一個足夠大的液滴形成后，它會自發(fā)生長。

成核理論的一個主要目標(biāo)是了解這種關(guān)鍵‘水滴種子’的性質(zhì)，在雨滴中，水分子有兩種類型：水滴內(nèi)部的水分子和水滴表面的水分子。水滴是圓形的，因此表面的水分子，比液滴內(nèi)部的分子鄰接分子少，液滴越小，其分子在表層的比例就越大。液滴核必須達(dá)到臨界大小才能繼續(xù)生長，因為它必須克服由于液滴外部分子數(shù)量較少而產(chǎn)生的表面張力。表面張力越小，液滴越容易形成。

這是雜質(zhì)可以產(chǎn)生很大影響的地方：表面活性物質(zhì)降低了水滴和空氣之間的表面張力?？梢钥吹?，微小濃度的表面活性雜質(zhì)，可以極大地提高水滴的形成速度。由于表面活性物質(zhì)，如硫酸和氨，可以在雨滴形成期間以低濃度存在，這可能是天氣預(yù)報和氣候模型的重要輸入?yún)?shù)。當(dāng)存在表面活性雜質(zhì)時，經(jīng)典成核理論就會嚴(yán)重失效。

考慮曲率因素

如果水滴是在酒精存在的情況下形成，對水滴形成速率的預(yù)測可能會偏離20倍以上。事實(shí)上，經(jīng)典理論預(yù)測形成的水滴比研究人員在實(shí)驗中實(shí)際測量的要少10^20倍。把這個數(shù)字放到上下文中來看，銀河系中的恒星數(shù)量大約是10^11顆——比這個數(shù)字少了10億倍。除了非常不準(zhǔn)確之外，經(jīng)典理論還做出了物理上不可能的預(yù)測。在某些情況下，例如對于水-乙醇，它預(yù)測液滴中的水分子數(shù)量為負(fù)數(shù)，這當(dāng)然是不可能的。

Aasen研究背后的假設(shè)是，這些差異源于理論中的一個假設(shè)，該假設(shè)認(rèn)為原子核是球形的，但具有與完全平坦的表面相同的表面張力。這里的部分問題是很難估計成核過程中表面張力的行為，所以經(jīng)典理論包括了液滴中表面張力與發(fā)現(xiàn)的平面相同假設(shè)，這簡化了計算。大氣中形成的微小液滴核只有幾納米寬，高度彎曲。假設(shè)成核的表面張力與完全平坦的表面相同，這是經(jīng)典理論并不總是成立的主要原因。

研究使用了液滴表面的復(fù)雜模型，再加上液體和蒸汽的精確熱力學(xué)模型，以改進(jìn)經(jīng)典理論。通過在解釋液滴彎曲程度的理論中，適當(dāng)?shù)匕鼫?zhǔn)確的表面張力表示，能夠使成核率的理論預(yù)測與實(shí)驗中實(shí)際觀察到的結(jié)果相一致，將偏差從20多個數(shù)量級減少到不到兩個數(shù)量級。經(jīng)典成核理論有時做出奇怪的、物理上不可能的預(yù)測也消失了。

對液滴形成的更深層次理解和對其進(jìn)行建模的程序，可以帶來遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出氣候科學(xué)的好處：這個理論和框架有可能在未來幾年改善對如此多現(xiàn)象的描述和理解。

博科園｜研究/來自：挪威科技大學(xué)

參考期刊《物理評論快報》

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