[论文解读] Surface tension of small bubbles and droplets and the cavitation threshold

Mikhail N. Shneider, Mikhail Pekker|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2019

nanoparticles nucleation surface interactions参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文使用成对相互作用近似下的Lennard-Jones势，对纳米尺度气泡和液滴的表面张力进行了统一的理论分析。研究发现，对于气泡，表面张力随曲率减小而降低，而对于液滴则随曲率减小而增加，二者具有不同的Tolman校正；这种曲率依赖性对低气压环境中空化阈值的预测具有关键影响。

ABSTRACT

In this paper, using an unified approach, estimates are given of the magnitude of the surface tension of water for planar and curved interfaces in the pairwase interaction approximation based on the Lennard-Jones potential. It is shown that the surface tensions of a bubble and droplet have qualitatively different dependences on the curvature of the surface: for the bubble, as the radius of the surface's curvature decreases, the surface tension decreases, whereas it increases on the droplet. The corresponding values of the Tolman corrections are also determined. In addition, it is shown that the dependence of the surface tension on the surface's curvature is important for evaluating the critical negative pressure for the onset of cavitation.

研究动机与目标

• 理解曲率效应导致纳米水体系表面张力偏离体相值的机制。
• 在成对相互作用模型下，利用Lennard-Jones势推导曲面气泡和液滴的表面张力表达式。
• 量化气泡和液滴界面的Tolman校正，并比较其曲率依赖性。
• 评估曲率依赖表面张力对空化起始临界负压的影响。
• 为小尺度流体系统中的界面性质提供一个统一的理论框架。

提出的方法

• 本研究采用Lennard-Jones势模拟液态水中的分子间相互作用。
• 应用成对相互作用近似，计算平面、凹面（液滴）和凸面（气泡）界面的表面张力。
• 通过解析方法推导表面张力的曲率依赖性，明确给出Tolman长度校正的表达式。
• 通过将曲率依赖的表面张力引入经典成核理论，评估临界空化压力。
• 根据平均曲率的正负，区分液滴（凹面）和气泡（凸面）的几何构型。
• 对两种体系的表面张力随半径变化关系进行数值计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 与液滴相比，纳米气泡的表面张力如何随曲率变化？
• RQ2 在Lennard-Jones模型中，气泡和液滴的Tolman校正确切为何？
• RQ3 曲率依赖的表面张力如何影响低气压环境中空化阈值的预测？
• RQ4 为何气泡和液滴在半径减小过程中表现出相反的表面张力变化趋势？
• RQ5 能否使用同一势能模型建立统一的理论框架，描述凸面和凹面界面的表面张力？

主要发现

• 对于气泡，表面张力随曲率半径减小而降低，表明在小尺度下具有稳定化效应。
• 相反，对于液滴，表面张力随曲率半径减小而增加，反映出小尺寸下增强的内聚能。
• 气泡的Tolman校正为负，而液滴的Tolman校正为正，证实了二者在曲率响应上的定性差异。
• Tolman校正的量级通过解析方法得出，并在纳米尺度下表现出显著影响。
• 表面张力的曲率依赖性导致预测的空化阈值发生显著偏移，尤其在亚10 nm系统中更为明显。
• 该模型预测，小气泡的空化更可能在低于经典毛细管模型预测的负压下发生。