Undrar över utspillt vatten

När du spiller en drink på en bordsskiva sprider sig vätskan och stannar sedan och lämnar en pöl med en skarp gräns. Formlerna som forskarna använder för att beskriva ett sådant vätskeflöde säger dock att vattnet bara ska fortsätta spridas i det oändliga. Alla vet att så inte är fallet – men varför? Att förstå svaret är viktigt för processer från smörjning av växlar till att binda koldioxid.

Ruben Juanes, en docent i civil- och miljöteknik, tillsammans med doktoranden Amir Pahlavan, forskarassistent Luis Cueto-Felgueroso och maskinteknikprofessor Gareth McKinley, PhD '91, kom nyligen på svaret på denna långvariga gåta.

Den klassiska tunnfilmsmodellen beskriver spridningen av en flytande film, men den förutsäger inte att den slutar, säger Pahlavan. Det visar sig att problemet är ett skalaproblem: Det som faktiskt stoppar pölen är krafter som bara verkar på nanoskala, förklarar han. Och även om dessa krafter är små, förändrar deras effekt vätskans beteende på ett sätt som är uppenbart i mycket större skala.

Dessa intermolekylära krafter, som avtar kraftigt med avståndet, spelar bara roll på föremål som är extremt nära varandra. Nära en pöls kant blir vätskefilmen försvinnande tunn och de övre och undre ytorna nästan rör varandra. Där är vätske-fasta och vätske-luft-gränssnitten tillräckligt nära för att de intermolekylära krafterna ska påverka dem. Dessa är de saknade intermolekylära krafterna i den makroskopiska beskrivningen, säger Pahlavan. Även om det var känt att dessa krafter behövde tas hänsyn till, hade tidigare föreslagna modeller misslyckats med att konsekvent matcha de experimentella observationerna. Genom att ta hänsyn till nanoskalig modifiering av ytspänningen nära pölens kant, löser MIT-forskarnas modell många av inkonsekvenserna i de tidigare modellerna.

De involverade principerna påverkar många andra situationer där möjligheten att beräkna hur en vätska kommer att bete sig kan få viktiga konsekvenser, från smörjning till kylsystem. Till exempel, för kolbindning - ta bort koldioxid från utsläpp av fossila bränslen och injicera den i underjordiska formationer - är det viktigt att förstå hur vätskan kommer att spridas genom porer i berget för att förutsäga hur stabil denna typ av lagring kan vara.

Man börjar med något väldigt enkelt, som spridningen av en pöl, men man kommer fram till något väldigt fundamentalt om intermolekylära krafter, säger Juanes. Samma process, samma fysik, kommer att vara på gång i många komplexa flöden.

Dölj