挪威科技大学大卫·尼可尔著 当表面活性杂质存在时，经典成核理论失效
但是一个新的复杂的液滴表面模型，加上一个精确的液体和蒸汽热力学模型，改进了经典理论
信用:iStock 从煮早上的咖啡，到复杂的工业过程，甚至火山爆发，水滴和气泡几乎无处不在
来自SINTEF和NTNU的新研究提高了我们对这些气泡和水滴形成的理解
这可以提高我们模拟气候变化的能力
在受控的实验室环境中理解纯水中的液滴形成是很有挑战性的，但是在大气中，液滴是在存在许多其他物质的情况下形成的
其中一些，像氮、氧和氩，不怎么与水相互作用，很容易解释
复杂情况是由表面活性物质引起的，即倾向于停留在液滴表面的物质
如果你见过坚硬表面上的水珠，你就会看到水的表面张力在起作用
水分子比空气中的分子更容易相互吸引，使它们尽可能紧密地粘在一起，使水滴形成一个圆顶
表面活性物种的一个例子是乙醇，它存在于啤酒、葡萄酒、香槟和其他酒精饮料中
在一滴香槟中，乙醇分子堆积在表面，大大降低了表面张力
SINTEF研究员艾洛·艾森最近完成了他的博士学位
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在NTNU，部分集中于杂质存在时的成核
最近发表在著名杂志《物理评论快报》上的研究结果与不同的工业过程有关，尤其是大气科学和气候模型
经典理论的缺点 在大气中形成水滴之前，水分子之间必须发生足够多的随机碰撞，以形成水滴的种子或“核”
微小的纳米水滴被称为临界核，它的形成被称为成核
这些纳米尺寸的液滴通常形成在尘粒周围，表面活性杂质堆积在液滴表面
当一个足够大的液滴形成后，它会自动生长
成核理论的一个主要目标是理解这种关键的“微滴种子”的性质
“在雨滴中，水分子有两种类型:水滴内部的和表面的，”艾洛说
水滴是圆的，所以表面的水分子比水滴内部的水分子有更少的邻居
液滴越小，其分子在表层的比例就越大
原子核必须达到临界尺寸才能继续生长，因为它必须克服液滴外部分子数量较少造成的表面张力
表面张力越小，液滴越容易形成
根据爱洛的说法，这就是杂质能产生巨大影响的地方:“表面活性物质降低了液滴和空气之间的表面张力
我们看到微小浓度的表面活性杂质可以显著增加液滴形成的速率
由于像硫酸和氨这样的表面活性物质在雨滴形成过程中可能以低浓度存在，这可能是天气预报和气候模型的重要输入
" 考虑曲率 当表面活性杂质存在时，经典的成核理论就彻底失败了
例如，如果水滴是在酒精存在的情况下形成的，水滴形成速率的预测可能会偏离20倍以上
事实上，经典理论预测，10^20 (10后接19个零)形成的液滴比研究人员在实验中实际测量的要少
将这个数字放在上下文中，银河系中的恒星数量大约是10^11 (10个后跟19个零)——少了10亿倍
除了非常不准确之外，经典理论还做出了物理上不可能的预测
在某些情况下，例如水-乙醇，它预测液滴中有负数量的水分子，这当然是不可能的
艾森研究背后的假设是，这些差异源于理论中的一个假设，即认为原子核是球形的，但与完全平坦的表面具有相同的表面张力
Ailo解释说，这里的部分问题是很难估计成核过程中表面张力的表现，因此经典理论包括液滴中的表面张力与平坦表面中的表面张力相同的假设，这简化了计算
在大气中形成的微小原子核只有几纳米宽，并且高度弯曲
假设原子核具有与完全平坦的表面相同的表面张力是经典理论不总是有效的主要原因
艾洛和他的同事使用了一个复杂的液滴表面模型，加上一个精确的液体和蒸汽热力学模型，来改进经典理论
通过将表面张力的更精确表示适当地包括到说明液滴弯曲程度的理论中，他们能够将成核速率的理论预测与实验中实际观察到的相一致，将差异从超过20个数量级减少到不到两个数量级
经典成核理论有时做出的怪异、物理上不可能的预测也消失了
艾森由SINTEF的伊文德·威尔赫姆森指导，他在2016年对汽-液界面的研究为新的研究提供了基础
他认为，对液滴形成和模拟液滴形成的程序的更深入理解，可以带来远远超出气候科学的好处:“这个理论和框架有可能在未来几年里改进对如此多现象的描述和理解，从工业过程到
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