Langzaam vloeibaar wordende gassen

Sommige gassen gaan langzamer over in de vloeibare toestand dan theorieën tot nu toe deden vermoeden. Natuurkundigen van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam hebben met computersimulaties de oorzaak hiervan achterhaald. Het gaat om watermoleculen en andere moleculen met een positief geladen 'voorkant' en een negatieve 'achterkant', zogenaamde polaire moleculen.

De bestaande theorie voorspelt dat grotere druppels ontstaan uit microscopisch kleine bolvormige druppeltjes. De simulaties laten zien dat de kleinste kiemen geen druppeltjes zijn, maar langwerpige ketens waarin de moleculen zij aan zij liggen.

Bij langzame afkoeling van waterdamp onder het kookpunt blijft water lange tijd in de dampfase (onderkoeling). Dat komt omdat de kleine waterdruppeltjes die ontstaan minder stabiel zijn dan damp, en spontaan weer verdampen. Zo'n druppeltje moet een bepaalde grootte bereiken –de kritische kiemgrootte– om tot waterdruppel door te groeien. Het verschijnsel van onderkoeling komt in de natuur vaak voor, zoals bij mist.

Hoe kan waterdamp dan toch vloeibaar worden? De moleculen in gassen zijn altijd in beweging. Daardoor ontstaan microscopisch kleine druppeltjes. De meeste hiervan zijn niet stabiel en vallen uit elkaar. Soms ontstaat er een druppeltje dat groter is dan de kritische grootte en doorgroeit. De snelheid waarmee deze kiemen ontstaan, hangt af van de vorm van de 'kritische kiem'.

Het is bijna niet mogelijk om de kiemen experimenteel waar te nemen, omdat ze slechts zelden ontstaan. Als ze eenmaal gevormd zijn groeien ze bovendien snel door tot grotere druppels. Daarom maakten de natuurkundigen gebruik van computersimulaties.

Ze waren in staat de structuur en de vormingskans van kritische kiemen te berekenen met computersimulaties van het gedrag van grote hoeveelheden moleculen. Uit hun berekeningen blijkt dat de kritische kiem van polaire moleculen zoals water een ketenvormige structuur heeft. Ook blijkt dat polaire moleculen, zoals water, langzamer in de vloeibare vorm overgaan dan verbindingen zonder positief geladen voorkant en negatief geladen achterkant, de niet-polaire stoffen.