بررسی علمی حرکت نانوحباب‌ها در آب؛ از تئوری تا شبیه‌سازی

محققان دانشگاه کمبریج، حرکت نانوحباب‌های گازی در شرایط شیب دمایی را مطالعه کردند و به کمک این پژوهش شناخت علمی از دینامیک نانوحباب‌ها در سطحی بی‌سابقه ارتقا می‌یابد و درک چگونگی این حرکت امکان طراحی سیستم‌های هوشمند را فراهم می‌‎کند.

کد خبر: ۷۹۰۲۴۹

تاریخ: ۲۴ فروردين ۱۴۰۴ - ۰۸:۳۷

به گزارش روز یکشنبه گروه علمی ایران اکونومیست از ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، در مقاله‌ای که به‌تازگی توسط یی‌سین ژانگ و دِتلف لوسه در انتشارات دانشگاه کمبریج به‌صورت آنلاین منتشر شده، حرکت نانوحباب‌های گازی در شرایط شیب دمایی مورد مطالعه قرار گرفته است. این نانوحباب‌ها که درون فاز مایع آب قرار دارند، به‌واسطه اثرات مارانگونی حرارتی، رفتاری مشابه حباب‌های بزرگ‌تر از خود نشان می‌دهند و به‌سمت صفحه گرم حرکت می‌کنند.

اثر مارانگونی که بر اساس تغییرات کشش سطحی ناشی از گرادیان دمایی عمل می‌کند، تاکنون در مقیاس‌های ماکروسکوپی مانند حباب‌های حاصل از الکترولیز یا جوشش آب مورد بررسی قرار گرفته بود. اما این پژوهش به‌طور مشخص نشان می‌دهد که این پدیده در مقیاس نانومتری نیز فعال است و تأثیرات قابل‌توجهی بر دینامیک نانوحباب‌ها دارد.

یکی از یافته‌های کلیدی این تحقیق، تفاوت قابل‌توجه در خواص فیزیکی نانوحباب‌ها نسبت به حباب‌های بزرگ‌تر است. در حالی که در مقیاس ماکرو، رسانایی حرارتی و ویسکوزیته (گِران‌رَوی یا مقاومت یک سیال در برابر اعمال تنش برشی) گاز در مقایسه با آب نادیده گرفته می‌شوند، در نانومقیاس این ویژگی‌ها به‌دلیل چگالی بالای گاز داخل نانوحباب به‌شدت افزایش می‌یابد و تأثیر چشمگیری بر رفتار آن‌ها می‌گذارد.

با استفاده از شبیه‌سازی‌های دینامیک مولکولی، پژوهشگران موفق شدند رفتار نانوحباب‌ها در شرایط دمایی مختلف را بررسی و حرکت یکنواخت آن‌ها به‌سوی سطح گرم را ثبت کنند. در ادامه، با توسعه نظریه ترموکاپیلاری (حرارتی-سطحی) موجود برای حباب‌های بزرگ، آن را با ویژگی‌های نانومقیاس نظیر مقاومت حرارتی در فصل مشترک مایع-گاز و طول لغزش (Slip Length) تلفیق کردند.

بر این اساس، روابطی برای نیروی مارانگونی و نیروی درگ (Drag) به‌دست آمد و با برقراری تعادل بین این دو نیرو، سرعت نظری حرکت نانوحباب‌ها محاسبه شد. نتایج این مدل‌سازی نظری، با داده‌های به‌دست‌آمده از شبیه‌سازی‌ها تطابق بالایی داشت و اعتبار مدل توسعه‌یافته را تأیید کرد.

در حالی که انتظار می‌رفت طول لغزش در فصل مشترک مایع-گاز بتواند بر حرکت نانوحباب‌ها اثرگذار باشد، محاسبات نشان داد که مقدار آن در سیستم مورد بررسی به‌قدری کوچک است که تأثیر معناداری بر روی دینامیک حرکت نانوحباب‌ها ندارد.

این پژوهش نه‌تنها شناخت علمی ما از دینامیک نانوحباب‌ها را در سطحی بی‌سابقه ارتقا می‌دهد، بلکه می‌تواند کاربردهای عملی فراوانی در حوزه‌هایی چون نانوفلوئیدها، پزشکی مبتنی بر نانوحباب، میکروتراشه‌های حرارتی و فناوری‌های تصفیه آب داشته باشد. درک دقیق چگونگی حرکت نانوحباب‌ها در شیب دمایی، امکان طراحی سیستم‌های هوشمند را فراهم می‌سازد که در آن، جریان سیالات صرفاً با تغییر دما قابل کنترل باشد.