p Gotículas e bolhas são formadas em quase todos os lugares, de ferver nosso café da manhã, a processos industriais complexos e até erupções vulcânicas. Nova pesquisa da SINTEF e NTNU na Noruega, melhora nossa compreensão de como essas bolhas e gotículas se formam. Isso poderia melhorar nossa capacidade de modelar as mudanças climáticas. p Compreender a formação de gotículas em água pura em um ambiente de laboratório controlado é desafiador o suficiente, mas na atmosfera, gotículas se formam na presença de muitas outras substâncias.

p Alguns deles, como nitrogênio, oxigênio e argônio, não interagem muito com a água e são fáceis de contabilizar. As complicações surgem de espécies de superfície ativa, nomeadamente substâncias que preferem permanecer na superfície da gota.

p Você já viu a tensão superficial da água em ação se já viu uma gota de água subindo em uma superfície dura. As moléculas de água são atraídas mais umas pelas outras do que pelas moléculas do ar, fazendo com que eles se agarrem o mais firmemente que podem, fazendo com que a queda forme uma cúpula.

p Um exemplo de uma espécie de superfície ativa é o etanol, que é encontrado na cerveja, vinho, champanhe e outras bebidas alcoólicas. Em uma gota de champanhe, as moléculas de etanol se acumulam na superfície e reduzem drasticamente sua tensão superficial.

p SINTEF-pesquisador Ailo Aasen, que recentemente concluiu seu Ph.D. na NTNU, parcialmente focado na nucleação na presença de impurezas. Os resultados, publicado recentemente na prestigiosa revista Cartas de revisão física , são relevantes para diversos processos industriais, mas especialmente para a ciência atmosférica e os modelos climáticos.

p As deficiências da teoria clássica

p Antes que uma gota d'água possa se formar na atmosfera, devem ocorrer colisões aleatórias suficientes entre as moléculas de água para formar uma semente, ou "núcleo, "para a gota. O minúsculo, gotículas nanométricas de água são chamadas de núcleo crítico, e sua formação é conhecida como nucleação. Essas gotículas nanométricas normalmente se formam em torno de partículas de poeira, e as impurezas tensoativas se acumulam na superfície da gota. Depois que uma gota grande o suficiente se formou, ele vai crescer espontaneamente.

p "Um dos principais objetivos da teoria da nucleação é entender as propriedades dessa" semente de gota "crítica. Em uma gota de chuva, as moléculas de água são de dois tipos:aquelas no interior da gota, e aqueles na superfície, "Ailo diz.

p Uma gota é redonda, de modo que as moléculas de água na superfície têm menos vizinhos do que aquelas dentro da gota. Quanto menor uma gota, quanto maior a porção de suas moléculas na camada superficial.

p O núcleo deve atingir um tamanho crítico para continuar a crescer, porque tem que superar a tensão superficial que resulta do menor número de moléculas do lado de fora da gota. Quanto menor for a tensão superficial, mais fácil é para a gota se formar. De acordo com Ailo, é aqui que as impurezas podem fazer uma grande diferença:"As espécies de superfície ativa reduzem a tensão superficial entre a gota e o ar. Vemos que uma concentração mínima de uma impureza de superfície ativa pode aumentar dramaticamente a taxa de formação de gotas. espécies ativas como ácido sulfúrico e amônia podem estar presentes em baixas concentrações durante a formação de gotas de chuva, é provável que seja uma entrada importante para as previsões meteorológicas e modelos climáticos. "

p Levando a curvatura em consideração

p A teoria de nucleação clássica falha espetacularmente quando impurezas ativas de superfície estão presentes. Por exemplo, se gotículas de água são formadas na presença de álcoois, as previsões da taxa na qual as gotículas se formam podem estar desviadas por mais de um fator de 20. Na verdade, a teoria clássica prevê que 10 ^ 20 (10 seguido por 19 zeros) menos gotículas se formam do que os pesquisadores podem medir em experimentos. Para colocar este número em contexto, o número de estrelas na Via Láctea é cerca de 10 ^ 11 (10 seguidos por 19 zeros) - um bilhão de vezes menor.

p Além de ser totalmente impreciso, a teoria clássica faz previsões que são fisicamente impossíveis. Em alguns casos, como para água-etanol, prediz que há um número negativo de moléculas de água na gota, o que obviamente é impossível.

p A hipótese por trás da pesquisa de Aasen era que essas discrepâncias resultam de uma suposição na teoria, que considera o núcleo esférico, mas com a mesma tensão superficial de uma superfície completamente plana.

p Parte do problema aqui é que é muito difícil estimar como a tensão superficial se comporta durante a nucleação, então a teoria clássica inclui a suposição de que a tensão superficial em uma queda é a mesma que se encontra em uma superfície plana, o que simplifica os cálculos, Ailo explica.

p Os minúsculos núcleos formados na atmosfera têm apenas alguns nanômetros de largura e são altamente curvos. Assumir que os núcleos têm a mesma tensão superficial de uma superfície completamente plana é a principal razão pela qual a teoria clássica nem sempre funciona.

p Ailo e seus colegas usaram um modelo sofisticado para a superfície da gota, acoplado a um modelo termodinâmico preciso para o líquido e o vapor, para melhorar a teoria clássica.

p Ao incluir adequadamente uma representação mais precisa da tensão superficial na teoria que explica o quão curvada é a gota, eles foram capazes de reconciliar as previsões teóricas de taxas de nucleação com aquelas realmente observadas em experimentos, reduzindo a discrepância de mais de 20 para menos de duas ordens de magnitude. O esquisito, as previsões fisicamente impossíveis às vezes feitas pela teoria clássica da nucleação também desapareceram.

p Aasen foi supervisionado por Øivind Wilhelmsen no SINTEF, cujo trabalho de 2016 em interfaces vapor-líquido forneceu a base para a nova pesquisa. Ele acredita que a compreensão mais profunda da formação de gotículas e de um procedimento para modelá-la pode trazer benefícios muito além da ciência do clima:"Esta teoria e estrutura têm o potencial de melhorar a descrição e a compreensão de tantos fenômenos nos próximos anos, de processos industriais para. "