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Sich über verschüttetes Wasser wundern
Wenn Sie ein Getränk auf eine Tischplatte verschütten, verteilt sich die Flüssigkeit und stoppt dann, wodurch eine Pfütze mit einer scharfen Grenze zurückbleibt. Die Formeln, die Wissenschaftler verwenden, um eine solche Flüssigkeitsströmung zu beschreiben, besagen jedoch, dass sich das Wasser einfach endlos ausbreiten sollte. Jeder weiß, dass das nicht der Fall ist – aber warum? Das Verständnis der Antwort ist für Prozesse von der Schmierung von Getrieben bis zur Sequestrierung von Kohlendioxid von entscheidender Bedeutung.
Ruben Juanes, außerordentlicher Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen, hat zusammen mit dem Doktoranden Amir Pahlavan, dem wissenschaftlichen Mitarbeiter Luis Cueto-Felgueroso und dem Maschinenbauprofessor Gareth McKinley, PhD '91, kürzlich die Antwort auf dieses langjährige Rätsel gefunden.
Das klassische Dünnschichtmodell beschreibt die Ausbreitung eines Flüssigkeitsfilms, sagt aber nicht voraus, dass er aufhört, sagt Pahlavan. Es stellt sich heraus, dass das Problem ein Größenproblem ist: Was die Pfütze tatsächlich stoppt, sind Kräfte, die nur im Nanomaßstab wirken, erklärt er. Und obwohl diese Kräfte winzig sind, verändert ihre Wirkung das Verhalten der Flüssigkeit auf eine Weise, die in viel größerem Maßstab offensichtlich ist.
Diese intermolekularen Kräfte, die mit der Entfernung stark abfallen, spielen nur bei sehr nahe beieinander liegenden Objekten eine Rolle. Am Rand einer Pfütze wird der Flüssigkeitsfilm verschwindend dünn und Ober- und Unterseite berühren sich fast. Dort sind die Flüssig-Fest- und Flüssig-Luft-Grenzflächen nahe genug, um von den zwischenmolekularen Kräften beeinflusst zu werden. Das sind die fehlenden intermolekularen Kräfte in der makroskopischen Beschreibung, sagt Pahlavan. Obwohl bekannt war, dass diese Kräfte berücksichtigt werden mussten, konnten frühere vorgeschlagene Modelle nicht konsistent mit den experimentellen Beobachtungen übereinstimmen. Durch die Berücksichtigung der nanoskaligen Modifikation der Oberflächenspannung in der Nähe des Randes der Pfütze löst das Modell der MIT-Forscher viele der Inkonsistenzen in den vorherigen Modellen.
Die beteiligten Prinzipien wirken sich auf viele andere Situationen aus, in denen die Fähigkeit, das Verhalten einer Flüssigkeit zu berechnen, wichtige Konsequenzen haben kann, von der Schmierung bis hin zu Kühlsystemen. Beispielsweise ist es für die Kohlenstoffbindung – das Entfernen von Kohlendioxid aus Emissionen fossiler Brennstoffe und das Einpressen in unterirdische Formationen – unerlässlich, zu verstehen, wie sich die Flüssigkeit durch Poren im Gestein ausbreitet, um vorherzusagen, wie stabil diese Art der Speicherung sein kann.
Sie beginnen mit etwas sehr Einfachem, wie der Ausbreitung einer Pfütze, aber Sie kommen zu etwas sehr Grundlegendem über intermolekulare Kräfte, sagt Juanes. Der gleiche Prozess, die gleiche Physik wird in vielen komplexen Strömungen im Spiel sein.