气泡形成的纳米级视图新模型更精确地描述了沸腾过程

当液体在容器中沸腾时，底部会形成微小的气泡并上升，在此过程中传递热量。这些小气泡是如何生长并最终分离的，以前并不清楚。

由德累斯顿罗森多夫亥姆霍兹中心(HZDR)领导的德中研究团队现已成功地从根本上扩展了这种理解。正如该团队在《胶体与界面科学杂志》上报道的那样，这些发现可应用于未来的微处理器冷却系统，或用于生产碳中性氢(称为绿氢)。

液滴或气泡如何润湿表面取决于表面材料的类型和性质。例如，球形液滴在疏水材料上形成，与底部的接触面积最小。然而，对于亲水性材料，液体往往会产生平坦的沉积物——固液界面会更大。这些过程可以用Young-Laplace方程从理论上描述。

该方程式得出表征表面液滴行为的接触角：大角度表示润湿性差，而小角度表示润湿性好。当沸腾液体的壁上形成气泡时，一层非常薄的液体膜(肉眼看不见)会保留在气泡下方。这部电影决定了气泡如何生长以及如何从壁上分离。接触角在这方面也起着关键作用。

基本理论基于一种相对简单的方法。“它考虑了液体外部施加的压力和气泡内部的蒸汽压力，”HZDR实验热流体动力学负责人UweHampel教授解释说。“然后是毛细管压力，它是由气泡表面的曲率产生的。”

然而，最近，一系列使用激光测量的实验表明，这一既定理论对于非常小的液滴和气泡是失败的：在纳米尺度上，在某些情况下，测量的接触角与理论预测有很大偏差。

复杂的分子相互作用

为了解决这个问题，德中研究团队着手修正理论。为此，他们仔细研究了液体沸腾时发生的过程。“我们详细考虑了分子的界面行为，”HZDR研究员WeiDing博士解释说。“然后我们用计算机模拟了这些分子之间的相互作用。”

在这样做的过程中，研究小组发现了与以前方法的一个显着差异：作用在分子之间的力并不是简单地线性累加。相反，相互作用要复杂得多，导致明显的非线性效应。这些正是专家们在他们新的、扩展的理论中考虑的影响。

“我们的假设很好地解释了最近实验中获得的结果，”丁高兴地说。“我们现在对微小液滴和气泡的行为有了更精确的了解。”

除了完善我们对理论基础的理解外，这些发现还有望在微电子等多个技术领域取得进展。在这个领域，处理器现在非常强大，以至于它们会散发出越来越多的热量，然后必须通过冷却系统来消散这些热量。

“有一些想法可以通过煮沸液体来消除这种热量，”UweHampel说。“根据我们的新理论，我们应该能够确定上升的蒸汽泡可以最有效地消散热能的条件。”这些方程还有助于比过去更有效地冷却核反应堆中的燃料元件。

更高效的制氢

电解水产生碳中性氢，称为绿氢，是另一种潜在应用。在水分解过程中，电解槽的膜表面会形成无数气泡。有了这个新理论，似乎可以想象这些气泡可以比以前更具体地受到影响，从而在未来实现更有效的电解。所有这些潜在应用的关键在于选择和构建合适的材料。

“例如，在表面添加纳米凹槽可以显着加速沸腾过程中气泡的分离，”WeiDing解释道。“有了我们的新理论，现在可以更精细地定制这种结构——这是我们已经在进行的一个项目。”