211service.com
Undrer dig over spildt vand
Når du spilder en drink på en bordplade, spredes væsken ud og stopper derefter og efterlader en vandpyt med en skarp grænse. Formlerne, forskerne bruger til at beskrive en sådan væskestrøm, siger dog, at vandet bare skal fortsætte med at sprede sig uendeligt. Alle ved, at det ikke er tilfældet - men hvorfor? At forstå svaret er afgørende for processer fra smøring af gear til sekvestrering af kuldioxid.
Ruben Juanes, en lektor i civil- og miljøteknik, sammen med kandidatstuderende Amir Pahlavan, forskningsassistent Luis Cueto-Felgueroso og maskiningeniørprofessor Gareth McKinley, PhD '91, fandt for nylig ud af svaret på denne langvarige gåde.
Den klassiske tyndfilmsmodel beskriver spredningen af en flydende film, men den forudsiger ikke, at den stopper, siger Pahlavan. Det viser sig, at problemet er et skalaproblem: Det, der faktisk stopper vandpytten, er kræfter, der kun virker på nanoskalaen, forklarer han. Og selvom disse kræfter er minimale, ændrer deres virkning væskens adfærd på en måde, der er indlysende i meget større skala.
Disse intermolekylære kræfter, som falder skarpt med afstanden, spiller kun en rolle på objekter, der er ekstremt tæt på hinanden. Nær en vandpyts kant bliver væskefilmen forsvindende tynd, og top- og bundfladen rører næsten hinanden. Der er væske-faststof og væske-luft-grænseflader tæt nok til, at de intermolekylære kræfter kan påvirke dem. Det er de manglende intermolekylære kræfter i den makroskopiske beskrivelse, siger Pahlavan. Mens det var kendt, at disse kræfter skulle tages i betragtning, havde tidligere foreslåede modeller ikke konsekvent matchet de eksperimentelle observationer. Ved at inddrage nanoskalamodifikationen af overfladespændingen nær vandpyttens kant, løser MIT-forskernes model mange af uoverensstemmelserne i de tidligere modeller.
De involverede principper påvirker mange andre situationer, hvor evnen til at beregne, hvordan en væske vil opføre sig, kan have vigtige konsekvenser, lige fra smøring til kølesystemer. For eksempel, for kulstofbinding - fjernelse af kuldioxid fra fossile brændstoffer og indsprøjtning af det i underjordiske formationer - er det vigtigt at forstå, hvordan væsken vil spredes gennem porer i sten, for at forudsige, hvor stabil denne type lagring kan være.
Man starter med noget meget simpelt, som spredningen af en vandpyt, men man kommer til noget meget grundlæggende ved intermolekylære kræfter, siger Juanes. Den samme proces, den samme fysik, vil være på spil i mange komplekse flows.