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「水滴」几乎无处不在的水滴，是如何形成的？液滴形成背后的原理可不简单


水滴和气泡几乎无处不在 ， 从煮的咖啡 ， 到复杂的工业过程 ， 甚至火山喷发 。 挪威科技大学和挪威国立师范大学的新研究 ， 提高了我们对这些气泡和液滴如何形成的理解 ， 这可以提高模拟气候变化的能力 。 在受控的实验室环境中理解纯水中液滴的形成 ， 是足够具有挑战性的 ， 但在大气中 ， 液滴是在许多其他物质存在的情况下形成 。 它们中的一些 ， 如氮、氧和氩 ， 与水的相互作用不大 ， 很容易解释 。

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混乱产生于表面活性物质 ， 即喜欢停留在液滴表面的物质 。 如果你见过硬表面上的水珠 ， 你就会看到水的表面张力在起作用 。 水分子更多地相互吸引 ， 而不是与空气中的分子吸引 ， 导致它们尽可能紧密地粘在一起 ， 导致水滴形成圆顶 。 表面活性物质的一个例子是乙醇 ， 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 ， 极大地降低了其表面张力 。
经典理论的缺陷
挪威科技大学研究员Ailo Aasen专注于杂质存在下的成核 ， 他新发表在《物理评论快报》期刊上的研究结果与不同的工业过程有关 ， 特别是大气科学和气候模型 。 在大气中形成水滴之前 ， 水分子之间必须发生足够的随机碰撞 ， 才能形成水滴的种子或“核” 。 微小的、纳米大小的水滴被称为临界核 ， 它的形成被称为成核 。 这些纳米尺寸的液滴通常在尘埃颗粒周围形成 ， 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 ， 它会自发生长 。
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成核理论的一个主要目标是了解这种关键‘水滴种子’的性质 ， 在雨滴中 ， 水分子有两种类型：水滴内部的水分子和水滴表面的水分子 。 水滴是圆形的 ， 因此表面的水分子 ， 比液滴内部的分子邻接分子少 ， 液滴越小 ， 其分子在表层的比例就越大 。 液滴核必须达到临界大小才能继续生长 ， 因为它必须克服由于液滴外部分子数量较少而产生的表面张力 。 表面张力越小 ， 液滴越容易形成 。
【「水滴」几乎无处不在的水滴，是如何形成的？液滴形成背后的原理可不简单】

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这是杂质可以产生很大影响的地方：表面活性物质降低了水滴和空气之间的表面张力 。 可以看到 ， 微小浓度的表面活性杂质 ， 可以极大地提高水滴的形成速度 。 由于表面活性物质 ， 如硫酸和氨 ， 可以在雨滴形成期间以低浓度存在 ， 这可能是天气预报和气候模型的重要输入参数 。 当存在表面活性杂质时 ， 经典成核理论就会严重失效 。
考虑曲率因素
如果水滴是在酒精存在的情况下形成 ， 对水滴形成速率的预测可能会偏离20倍以上 。 事实上 ， 经典理论预测形成的水滴比研究人员在实验中实际测量的要少10^20倍 。 把这个数字放到上下文中来看 ， 银河系中的恒星数量大约是10^11颗——比这个数字少了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 ， 例如对于水-乙醇 ， 它预测液滴中的水分子数量为负数 ， 这当然是不可能的 。

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Aasen研究背后的假设是 ， 这些差异源于理论中的一个假设 ， 该假设认为原子核是球形的 ， 但具有与完全平坦的表面相同的表面张力 。 这里的部分问题是很难估计成核过程中表面张力的行为 ， 所以经典理论包括了液滴中表面张力与发现的平面相同假设 ， 这简化了计算 。 大气中形成的微小液滴核只有几纳米宽 ， 高度弯曲 。 假设成核的表面张力与完全平坦的表面相同 ， 这是经典理论并不总是成立的主要原因 。


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