Une nouvelle étude sur la dynamique de l'évaporation révèle que les très petites gouttelettes s'évaporent plus lentement que ne le prédisent les modèles actuels. Des chercheurs de l'Institut de chimie physique de l'Académie polonaise des sciences (IPC PAS) à Varsovie, en coopération avec l'Institut de Physique du PAS (IP PAS), ont décrit le cours de l'évaporation de gouttelettes micrométriques et nanométriques. Le résultat de la recherche, présenté dans la revue Matière molle , est une équation qui prédit avec précision le cours de l'évaporation pour des gouttelettes de différentes tailles et fluides. L'équation a de nombreuses applications, y compris la construction de modèles climatiques plus précis et la conception de moteurs à combustion interne ou d'unités de refroidissement plus efficaces.

« À première vue, le ralentissement de l'évaporation des petites gouttelettes peut sembler être un effet peu significatif. Cependant, chaque goutte qui s'évapore dans l'environnement a d'abord dû diminuer jusqu'à la taille du micromètre puis du nanomètre, et a ainsi traversé une phase d'évaporation ralentie, " déclare le Pr Robert Holyst (IPC PAS), et note que de telles dynamiques façonnent le climat de la Terre dans les nuages ​​atmosphériques. "Si l'on considère que le climat est un état d'un certain équilibre dynamique dans l'environnement qui est relativement facilement perturbé par des facteurs même apparemment mineurs, puis le ralentissement de la vitesse d'évaporation des petites gouttelettes passe d'un problème à l'échelle du laboratoire à un phénomène mondial."

Lors de l'évaporation, un rôle clé est joué par le flux de chaleur entre la gouttelette et l'environnement. Dans des publications antérieures, les physiciens de l'IPC PAS et de l'IP PAS ont montré que l'évaporation commence à se produire même lorsque les différences de température locales ne sont que de dix millièmes de Kelvin. Cependant, le transport d'énergie entre le liquide et l'environnement ne doit pas toujours être lié à l'existence d'un gradient de température.

"Lorsqu'une molécule de gaz s'approche d'une surface liquide à une distance de plusieurs à une douzaine de parcours libres, il cesse pratiquement d'entrer en collision avec d'autres molécules de son environnement. À ce point, une description typique du phénomène au moyen de la thermodynamique ne suffit plus. Près de la surface du liquide, le transport de l'énergie s'effectue de manière différente, balistiquement. La molécule de gaz prend simplement son énergie et frappe la surface, parfois plusieurs fois, " dit le Dr Marek Litniewski (IPC PAS), co-auteur de la recherche.

La longueur moyenne du libre parcours d'une molécule dans l'air (c'est-à-dire de la collision avec une molécule à la collision avec la suivante) peut atteindre 70 nm. Lors de l'évaporation, le transfert d'énergie balistique commence à jouer un rôle pour les molécules de gaz à quelques micromètres de la surface de la gouttelette, qui, dans l'échelle du phénomène, doit être considérée comme une valeur relativement importante. La question se pose :combien d'énergie peut être transmise de cette manière, et comment? Bien qu'une seule molécule de gaz entre en collision avec une seule molécule de liquide, ce dernier est plus fortement ou faiblement couplé avec ses voisins proches et lointains. Par conséquent, la collision se produit entre de nombreux corps et sa description théorique devient complexe.

"Si la goutte est grosse, sa surface du point de vue de la molécule de gaz sera pratiquement plane. Par conséquent, quand une telle molécule rebondit sur la surface, il peut entrer en collision avec une autre molécule de gaz à proximité et toucher à nouveau la surface, y déposant une autre partie de l'énergie. La situation change lorsque la goutte diminue de taille et que sa surface devient de plus en plus courbe. La particule rebondit ensuite sur la surface généralement une fois, après quoi il s'envole dans l'espace. Le transfert d'énergie à l'intérieur du liquide est donc moins efficace. Par conséquent, les gouttes s'évaporent d'autant plus lentement qu'elles sont petites, et le processus peut être ralenti au moins plusieurs fois, " explique le professeur Holyst.

Les analyses et les simulations informatiques ont été appuyées par des expériences menées dans IP PAS par le Dr Daniel Jakubczyk. Dans des conditions soigneusement contrôlées, un certain nombre de taux d'évaporation en une seule goutte ont été mesurés. Les expériences ont été réalisées pour des gouttes de différentes tailles et pour des liquides comprenant de l'eau et de l'éthylène glycol. Il s'est avéré que le modèle proposé par les physiciens de l'IPC PAS décrivait avec précision dans tous les cas l'évolution du phénomène. Afin d'estimer à quelle vitesse une goutte s'évapore, il suffisait de fournir seulement deux paramètres :la masse de la substance et l'enthalpie d'évaporation.

"L'évaporation a lieu tout autour de nous, toujours et partout. La science l'étudie depuis plus de 120 ans, et nous pensions en avoir une bonne compréhension. Cependant, quand nous examinons les détails du processus d'évaporation, nous voyons soudain combien nous avons manqué. Cela nous enseigne l'humilité et nous encourage à mener d'autres recherches, " conclut le Pr Holyst.