Используя компьютерное моделирование, экспертам удалось смоделировать поведение молекул на границе раздела жидкость-газ в нанометровом масштабе, что позволило им описать процесс кипения с предельной точностью. Полученные результаты могут быть применены к будущим системам охлаждения микропроцессоров или к производству углеродно-нейтрального водорода, известного как зеленый водород, о чем команда сообщила в Журнал коллоидной науки и науки о интерфейсах.

То, как капли или пузырьки пара смачивают поверхность, зависит от типа и природы материала поверхности. Например, сферические капли образуются на гидрофобных материалах с минимальной площадью контакта с основанием. Однако при использовании гидрофильных материалов жидкость имеет тенденцию к образованию плоских отложений - тогда граница раздела твердое вещество-жидкость намного больше. Такие процессы могут быть теоретически описаны уравнением Юнга-Лапласа. Это уравнение дает угол соприкосновения, который характеризует поведение капель на поверхности: большие углы указывают на плохое смачивание, тогда как малые углы указывают на хорошее смачивание.

Когда в кипящей жидкости на стенке образуется пузырь пара, под ним остается очень тонкая пленка жидкости, невидимая глазу. Эта пленка определяет, как растет пузырь и как он отделяется от стенки. Угол контакта также играет ключевую роль в этом отношении.

Лежащая в основе теория основана на относительно простом подходе. "Он учитывает как внешнее давление жидкости, так и давление пара внутри пузырька", - объяснил профессор Уве Хампель, руководитель экспериментальной термодинамики жидкости в HZDR. "Затем возникает капиллярное давление, которое создается кривизной поверхности пузырька".

Однако недавно ряд экспериментов с использованием лазерных измерений показал, что эта устоявшаяся теория не работает для очень маленьких капель и пузырьков: на наноуровне измеренные углы контакта в некоторых случаях значительно отклонялись от теоретических предсказаний.

Сложное взаимодействие молекул

Чтобы решить эту проблему, немецко-китайская исследовательская группа приступила к пересмотру теории. Для этого они поближе рассмотрели процессы, которые происходят, когда жидкость закипает. "Мы подробно рассмотрели межфазное поведение молекул", - объяснил исследователь HZDR доктор Вэй Дин. "Затем мы использовали компьютер, чтобы смоделировать взаимодействие между этими молекулами".

При этом исследовательская группа обнаружила существенное отличие от предыдущих подходов: силы, действующие между молекулами, не просто складываются линейно. Вместо этого взаимодействие гораздо более сложное, что приводит к отчетливым нелинейным эффектам. Это именно те эффекты, которые эксперты рассматривают в своей новой, расширенной теории.

"Наша гипотеза дает хорошее объяснение результатам, полученным в недавних экспериментах", - с восторгом заявил Динг. "Теперь у нас есть гораздо более точное понимание поведения крошечных капель и пузырьков пара".

Помимо завершения нашего понимания теоретической основы, полученные результаты также обещают прогресс в нескольких областях технологии, таких как микроэлектроника. В этой области процессоры сейчас настолько мощные, что выделяют все большее количество тепла, которое затем должно отводиться системами охлаждения.

"Есть идеи убрать это тепло путем кипячения жидкости", - заметил Уве Хампель. "С помощью нашей новой теории мы должны быть в состоянии определить условия, при которых поднимающиеся пузырьки пара могут наиболее эффективно рассеивать тепловую энергию". Эти уравнения также могли бы помочь охлаждать топливные элементы в ядерном реакторе более эффективно, чем в прошлом.

Более эффективное производство водорода

Электролиз воды для получения углеродно-нейтрального водорода, называемого "зеленым водородом", является еще одним потенциальным применением. Во время расщепления воды на мембранных поверхностях электролизера образуются бесчисленные пузырьки газа. С помощью этой новой теории представляется возможным, что на эти пузырьки можно воздействовать более конкретно, чем раньше, что позволит в будущем проводить более эффективный электролиз. Ключ ко всем этим потенциальным областям применения лежит в выборе и структурировании соответствующих материалов.

"Например, добавление нанопроволок к поверхности может значительно ускорить отделение пузырьков газа во время кипячения", - объяснил Вэй Дин. "С нашей новой теорией такое структурирование теперь может быть более точно адаптировано - проект, над которым мы уже работаем".