Figura 1:Un nucleo liquido, osservato utilizzando particelle modello che fungono da atomi. Le sfere rosse indicano particelle simili a liquidi, mentre le sfere blu indicano le particelle di gas. Questo nucleo è stato osservato essere abbastanza grande da essere stabile e crescere. Le etichette degli assi indicano le distanze in micrometri (un milionesimo di metro). Credito:P. Schall et al.
I ricercatori dell'Istituto di fisica dell'UvA (IoP) e dell'Università di Leiden hanno trovato un nuovo modo per visualizzare e misurare il processo di nucleazione responsabile della formazione di goccioline liquide nel vapore. Le loro scoperte, pubblicato questa settimana in Lettere di revisione fisica , migliorare la nostra comprensione dei processi su scala nanometrica alla base della nucleazione dei liquidi, e contribuire a sviluppare modelli più accurati di nucleazione in campi dalla nanoscienza alla scienza dell'atmosfera.
La nucleazione è la fase iniziale nella formazione di un liquido dalla sua fase vapore. Pensa alla formazione di nuvole che si verificano quando minuscole goccioline d'acqua si formano improvvisamente dal vapore acqueo trasportato dall'aria. Queste minuscole goccioline, che avviano il processo di condensazione, sono chiamati 'nuclei' – anche se non vanno confusi con i nuclei dei singoli atomi – e il loro ruolo nell'iniziare la formazione del liquido è cruciale per i processi atmosferici, reazioni catalitiche e processi industriali.
Mentre la nucleazione è stata studiata per quasi un secolo, i tassi di nucleazione rimangono difficili da prevedere:le proprietà dei piccoli nuclei su scala nanometrica che determinano in modo cruciale la nucleazione, come la loro tensione superficiale, non sono molto conosciuti e di difficile accesso diretto. La nuova tecnica di visualizzazione utilizza minuscole particelle sferiche per risolvere questo problema.
Mentos e Diet Coke
L'effetto della nucleazione è ben noto nella vita quotidiana. Tutti conoscono gli spruzzi d'acqua improvvisi quando si apre una bottiglia di acqua frizzante dopo che è stata agitata durante il viaggio o il trasporto. L'effetto può essere notevolmente accelerato nel famoso esperimento Diet Coke-Mentos. Un pezzo di caramelle Mentos aggiunto a una bottiglia di Diet Coke porta a una fuoriuscita della bevanda simile a un'esplosione.
Questo spruzzo deriva dall'improvvisa nucleazione di gas (anidride carbonica) che si dissolve nella bevanda a una concentrazione "troppo alta", ovvero superiore al suo livello di saturazione. In circostanze normali, la nucleazione limita il ritmo di questo processo, poiché richiede la formazione di piccole bolle di gas iniziali. Creare le superfici di queste bolle di gas nel liquido costa energia:la cosiddetta tensione superficiale. Però, l'aggiunta di impurità o superfici ruvide al liquido riduce sostanzialmente questa energia di nucleazione, accelerando così drasticamente il processo di nucleazione.
Sfere di dimensioni micrometriche
La nucleazione non si verifica solo quando i gas si formano dai liquidi, ma anche quando avviene il processo opposto, come nella formazione delle nuvole. I ricercatori sono ora riusciti a visualizzare direttamente questo processo inverso, la nucleazione di un liquido dal vapore sovrasaturo. Invece di un normale liquido, hanno usato un materiale modello fatto di minuscoli, sfere micrometriche sospese in un solvente. In analogia agli atomi, queste minuscole particelle possono formare tutti gli stati della materia:gas, liquidi e solidi – e per molti aspetti il loro comportamento è molto simile a quello degli atomi.
Poiché le particelle sono circa diecimila volte più grandi degli atomi, possono essere ripresi comodamente in tre dimensioni, dando ricco, visione diretta dei processi su scala atomica negli stati della materia, così come le transizioni tra questi stati. Aumentando l'attrazione tra le particelle, i ricercatori sono stati in grado di condensarli da uno stato gassoso a uno stato liquido. Al contrario, potrebbero "evaporare" lo stato liquido condensato nello stato gassoso abbassando l'attrazione. Osservando questi processi al microscopio, sono stati in grado di seguire lo sviluppo del processo di nucleazione con dettagli senza precedenti e sono riusciti a ottenere immagini tridimensionali dei nuclei stabili iniziali, come mostrato in Figura 1. I ricercatori hanno quindi monitorato attentamente le forme dei nuclei e dalla distribuzione delle forme hanno potuto misurare la loro tensione superficiale, la quantità cruciale che determina la nucleazione che era stata finora inaccessibile agli esperimenti.
Controversia risolta
Queste misurazioni confermano i risultati precedenti ottenuti utilizzando simulazioni al computer:la tensione superficiale diminuisce man mano che il nucleo diventa più piccolo e la sua superficie diventa sempre più curva su scala atomica. La conferma dei risultati della simulazione al computer è importante, poiché questi risultati contraddicevano le precedenti previsioni teoriche. La misurazione diretta dei nuclei liquidi ora risolve questa vecchia controversia, e aiuta a comprendere e prevedere i tassi di nucleazione. Inoltre, recenti misurazioni nella Stazione Spaziale Internazionale da parte di alcuni degli stessi ricercatori, pubblicato di recente in Lettere di Eurofisica , hanno dimostrato che il processo di nucleazione può anche applicarsi in modo molto più ampio di quanto si pensasse in precedenza, oltre la normale transizione gas-liquido, alla formazione di grandi cluster di molecole come le proteine. I risultati forniscono quindi informazioni cruciali sulla formazione iniziale di stati condensati della materia in campi che vanno dalla nanoscienza alla chimica e alla metrologia.
