Des chercheurs de l'Institut de physique (IoP) de l'UvA et de l'Université de Leiden ont trouvé une nouvelle façon de visualiser et de mesurer le processus de nucléation responsable de la formation de gouttelettes liquides en vapeur. Leurs découvertes, publié cette semaine dans Lettres d'examen physique , améliorer notre compréhension des processus nanométriques qui sous-tendent la nucléation des liquides, et aider à développer des modèles de nucléation plus précis dans des domaines allant de la nanoscience à la science atmosphérique.

La nucléation est l'étape initiale de la formation d'un liquide à partir de sa phase vapeur. Pensez à la formation de nuages ​​qui se produisent lorsque de minuscules gouttelettes d'eau se forment soudainement à partir de la vapeur d'eau que l'air transporte. Ces gouttelettes les plus infimes, qui lancent le processus de condensation, sont appelés « noyaux » - bien qu'ils ne doivent pas être confondus avec les noyaux d'atomes individuels - et leur rôle dans le démarrage de la formation de liquide est crucial pour les processus atmosphériques, réactions catalytiques et traitement industriel.

Alors que la nucléation est étudiée depuis près d'un siècle, les taux de nucléation restent difficiles à prévoir :les propriétés des petits noyaux à l'échelle nanométrique qui déterminent de manière cruciale la nucléation, comme leur tension superficielle, sont peu connus et difficiles d'accès directement. La nouvelle technique de visualisation utilise de minuscules particules sphériques pour résoudre ce problème.

Mentos et Coca light

L'effet de la nucléation est bien connu dans la vie quotidienne. Tout le monde connaît les éclaboussures soudaines d'eau lors de l'ouverture d'une bouteille d'eau gazeuse après l'avoir secouée lors d'un voyage ou d'un transport. L'effet peut être considérablement accéléré dans la célèbre expérience Diet Coke-Mentos. Un morceau de bonbon Mentos ajouté à une bouteille de Coca Light entraîne un déversement de la boisson ressemblant à une explosion.

Cette éclaboussure provient de la nucléation soudaine de gaz (dioxyde de carbone) qui est dissous dans la boisson à une concentration « trop élevée », c'est-à-dire supérieur à son niveau de saturation. Dans des circonstances normales, la nucléation limite le rythme de ce processus, car il nécessite la formation initiale de minuscules bulles de gaz. La création des surfaces de ces bulles de gaz dans le liquide coûte de l'énergie :la tension superficielle. Cependant, l'ajout d'impuretés ou de surfaces rugueuses au liquide réduit considérablement cette énergie de nucléation, accélérant ainsi considérablement le processus de nucléation.

Sphères micrométriques

La nucléation ne se produit pas seulement lorsque des gaz se forment à partir de liquides, mais aussi lorsque le processus inverse se produit, comme dans la formation des nuages. Les chercheurs ont maintenant réussi à visualiser directement ce processus inverse, la nucléation d'un liquide à partir de la vapeur sursaturée. Au lieu d'un liquide normal, ils ont utilisé un matériau modèle fait de minuscules, sphères micrométriques en suspension dans un solvant. Par analogie avec les atomes, ces minuscules particules peuvent former tous les états de la matière - gaz, liquides et solides - et à bien des égards, leur comportement ressemble étroitement à celui des atomes.

Parce que les particules sont environ dix mille fois plus grosses que les atomes, ils peuvent être imagés commodément en trois dimensions, donner riche, aperçu direct des processus à l'échelle atomique dans les états de la matière, ainsi que les transitions entre ces états. En augmentant l'attraction entre les particules, les chercheurs ont pu les condenser d'un état gazeux à un état liquide. Inversement, ils pourraient « évaporer » l'état liquide condensé à l'état gazeux en diminuant l'attraction. En observant ces processus au microscope, ils ont pu suivre le processus de nucléation en développement avec des détails sans précédent et ont réussi à obtenir des images tridimensionnelles des noyaux stables initiaux, comme le montre la figure 1. Les chercheurs ont ensuite soigneusement surveillé les formes des noyaux et à partir de la distribution des formes, ils ont pu mesurer leur tension de surface, la quantité cruciale déterminant la nucléation qui avait été inaccessible aux expériences jusqu'à présent.

Controverse résolue

Ces mesures confirment des résultats antérieurs obtenus à l'aide de simulations informatiques :la tension superficielle diminue à mesure que le noyau devient plus petit et sa surface devient de plus en plus courbée à l'échelle atomique. La confirmation des résultats de la simulation informatique est importante, car ces résultats contredisaient les prédictions théoriques précédentes. La mesure directe des noyaux liquides résout désormais cette vieille controverse, et aide à comprendre et à prévoir les taux de nucléation. En outre, mesures récentes dans la Station spatiale internationale par certains des mêmes chercheurs, publié récemment dans Lettres Europhysiques , ont montré que le processus de nucléation peut également s'appliquer beaucoup plus large qu'on ne le pensait auparavant, au-delà de la transition gaz-liquide habituelle, à la formation de grands amas de molécules telles que des protéines. Les résultats donnent ainsi un aperçu crucial de la formation initiale des états condensés de la matière dans des domaines allant des nanosciences à la chimie et à la métrologie.