Des gouttelettes et des bulles se forment presque partout, de faire bouillir notre café du matin, aux processus industriels complexes et même aux éruptions volcaniques. Nouvelle recherche de SINTEF et NTNU en Norvège, améliore notre compréhension de la formation de ces bulles et gouttelettes. Cela pourrait améliorer notre capacité à modéliser le changement climatique.

Comprendre la formation de gouttelettes dans l'eau pure dans un environnement de laboratoire contrôlé est déjà assez difficile, mais dans l'atmosphère, des gouttelettes se forment en présence de nombreuses autres substances.

Certains d'entre eux, comme l'azote, l'oxygène et l'argon, n'interagissent pas beaucoup avec l'eau et sont faciles à expliquer. Les complications proviennent d'espèces tensioactives, à savoir des substances qui préfèrent rester à la surface de la gouttelette.

Vous avez vu la tension superficielle de l'eau en action si vous avez déjà vu de l'eau perler sur une surface dure. Les molécules d'eau sont plus attirées les unes vers les autres que vers les molécules de l'air, les obligeant à s'accrocher aussi étroitement qu'ils le peuvent, provoquant la goutte pour former un dôme.

Un exemple d'espèce tensioactive est l'éthanol, que l'on trouve dans la bière, vin, champagne et autres boissons alcoolisées. Dans une goutte de champagne, les molécules d'éthanol s'accumulent à la surface et abaissent drastiquement sa tension superficielle.

SINTEF-chercheur Ailo Aasen, qui a récemment terminé son doctorat. à NTNU, en partie focalisé sur la nucléation en présence d'impuretés. Les résultats, récemment publié dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique , sont pertinents pour divers processus industriels, mais surtout pour la science atmosphérique et les modèles climatiques.

Les défauts de la théorie classique

Avant qu'une goutte d'eau puisse se former dans l'atmosphère, suffisamment de collisions aléatoires entre les molécules d'eau doivent se produire pour former une graine, ou "noyau, " pour la goutte. Le minuscule, une gouttelette d'eau de taille nanométrique est appelée noyau critique, et sa formation est connue sous le nom de nucléation. Ces gouttelettes de taille nanométrique se forment généralement autour des particules de poussière, et les impuretés tensioactives s'accumulent à la surface des gouttelettes. Une fois qu'une gouttelette suffisamment grosse s'est formée, il grandira spontanément.

"Un objectif majeur de la théorie de la nucléation est de comprendre les propriétés de cette "graine de gouttelettes" critique. Dans une goutte de pluie, les molécules d'eau sont de deux types :celles à l'intérieur de la goutte, et ceux de la surface, " dit Ailo.

Une goutte est ronde, de sorte que les molécules d'eau à la surface ont moins de voisins que celles à l'intérieur de la gouttelette. Plus une goutte est petite, plus la portion de ses molécules est importante dans la couche de surface.

Le noyau doit atteindre une taille critique pour continuer à croître, car il doit surmonter la tension superficielle qui résulte du nombre réduit de molécules à l'extérieur de la goutte. Plus la tension superficielle est faible, plus il est facile pour la goutte de se former. Selon Ailo, c'est là que les impuretés peuvent faire une grande différence :« Les espèces tensioactives réduisent la tension superficielle entre la gouttelette et l'air. Nous voyons qu'une concentration infime d'une impureté tensioactive peut considérablement augmenter le taux de des espèces actives comme l'acide sulfurique et l'ammoniac peuvent être présentes en faibles concentrations lors de la formation des gouttes de pluie, il s'agit probablement d'une contribution importante aux prévisions météorologiques et aux modèles climatiques. »

Prise en compte de la courbure

La théorie classique de la nucléation échoue de façon spectaculaire lorsque des impuretés tensioactives sont présentes. Par exemple, si des gouttelettes d'eau se forment en présence d'alcools, les prédictions de la vitesse à laquelle les gouttelettes se forment peuvent être plus d'un facteur 20. En fait, la théorie classique prédit que 10^20 (10 suivis de 19 zéros) se forment moins de gouttelettes que ce que les chercheurs peuvent réellement mesurer dans les expériences. Pour replacer ce nombre dans son contexte, le nombre d'étoiles dans la Voie lactée est d'environ 10^11 (10 suivis de 19 zéros) – un milliard de fois moins.

En plus d'être grossièrement inexact, la théorie classique fait des prédictions qui sont physiquement impossibles. Dans certains cas, comme pour l'eau-éthanol, il prédit qu'il y a un nombre négatif de molécules d'eau dans la gouttelette, ce qui est bien entendu impossible.

L'hypothèse derrière la recherche d'Aasen était que ces divergences provenaient d'une hypothèse dans la théorie, qui considère que le noyau est sphérique mais a la même tension superficielle qu'une surface complètement plane.

Une partie du problème ici est qu'il est très difficile d'estimer comment la tension de surface se comporte pendant la nucléation, donc la théorie classique inclut l'hypothèse que la tension superficielle dans une goutte est la même que celle trouvée sur une surface plane, ce qui simplifie les calculs, Ailo explique.

Les minuscules noyaux formés dans l'atmosphère ne mesurent que quelques nanomètres de large et sont très incurvés. Supposer que les noyaux ont la même tension superficielle qu'une surface complètement plate est une raison majeure pour laquelle la théorie classique ne fonctionne pas toujours.

Ailo et ses collègues ont utilisé un modèle sophistiqué pour la surface des gouttelettes, couplé à un modèle thermodynamique précis pour le liquide et la vapeur, améliorer la théorie classique.

En incluant correctement une représentation plus précise de la tension superficielle dans la théorie qui explique la courbure de la gouttelette, ils ont pu concilier les prédictions théoriques des taux de nucléation avec celles réellement observées dans les expériences, réduire l'écart de plus de 20 à moins de deux ordres de grandeur. Le bizzarre, les prédictions physiquement impossibles parfois faites par la théorie de la nucléation classique ont également disparu.

Aasen était supervisé par Øivind Wilhelmsen au SINTEF, dont les travaux de 2016 sur les interfaces vapeur-liquide ont servi de base à la nouvelle recherche. Il pense qu'une compréhension plus approfondie de la formation des gouttelettes et une procédure de modélisation peuvent apporter des avantages bien au-delà de la science du climat :« Cette théorie et ce cadre ont le potentiel d'améliorer la description et la compréhension de tant de phénomènes dans les années à venir, des processus industriels à ."