آزمایش‌ها نظریه‌ای را تأیید می‌کنند که توضیح می‌دهد چرا رنگ در یک روز خشک سریع‌تر از یک روز مرطوب خشک نمی‌شود.

مایعات در حال تبخیر یکسان نیستند. یک لیوان آب در محیط خشک سریعتر از محیط مرطوب تبخیر می شود (شکل سمت چپ). افزودن مولکول های پلیمری با زنجیره بلند به آب، حساسیت سرعت تبخیر به رطوبت را تغییر می دهد. تبخیر آب، پلیمرها را به سطح سوق می دهد، جایی که آنها یک لایه متراکم تشکیل می دهند که مانع از تبخیر میشود و آن را از رطوبت مستقل می کند.

ممکن است فکر کنید که محلول های پلیمری مانند رنگ در یک روز مرطوب آهسته تر از یک روز خشک، خشک می شوند. اما محققان اکنون نظریه ای را تأیید کرده اند که توضیح می دهد چرا سرعت تبخیر آب یا حلال دیگر در یک محلول پلیمری میتواند مستقل از رطوبت محیط باشد [1]. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که همانطور که پیش‌بینی میشد، تبخیر آب مولکول‌های پلیمر را به سمت سطح سوق می‌دهد، جایی که آنها یک لایه متراکم را تشکیل می‌دهند که مانع از تبخیر شده و سطح را در برابر اثرات رطوبت محافظت می‌کند. این پدیده ممکن است بر سرعت تبخیر قطرات تنفسی حاوی ویروس تأثیر بگذارد و بنابراین می‌تواند به توضیح وابستگی فصلی عفونت‌های ویروسی کمک کند.

تبخیر مستقل از رطوبت، در بسیاری از شرایط یک مزیت است. به عنوان مثال برای حفظ رطوبت بدن، پوست انسان به لطف غشای سلولی که مولکول های چربی آن می توانند برای تنظیم نرخ تبخیر عرق مجدداً پیکربندی شوند، سرعت تبخیر تقریباً ثابتی را حفظ می کند.

این پیکربندی مجدد نمونه ای از یک فرآیند فعال است. در سال 2017، ژان باپتیست سالمون Jean-Baptiste Salmon ، مهندس شیمی در دانشگاه بوردو در فرانسه، پیشنهاد کرد که تبخیر مستقل از رطوبت نیازی به پاسخ فعال ندارد [2]. در عوض، تئوری او پیشنهاد می‌کند که هرگاه حلال از محلولی با مولکول‌های بزرگ تبخیر شود، فرآیندی که قبلاً میدانستیم مولکول‌ها را به سمت مرز خشک می‌کشاند اتفاق می‌افتد. او پیش‌بینی کرد که پس از تشکیل لایه‌ای متراکم از مولکول‌های بزرگ، نرخ تبخیر حلال بدون تغییر باقی می‌ماند؛ چه محیط اطراف آن خشک باشد و چه در رطوبت 100 درصد. با این حال، این تئوری با محلول پلیمری غیر فعال آزمایش نشده است.

مکس هویسمنMax Huisman ، دانشجوی فارغ التحصیل فیزیک ماده نرم در دانشگاه ادینبورگ بریتانیا، می‌گوید: «ما می‌خواستیم بدانیم که آیا این [تئوری] ممکن است برای تبخیر قطرات ویروس تنفسی هم که حاوی پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا هستند پیامدهایی داشته باشد. مدل‌های انتشار ویروسی تأثیر این پلیمرهای زیستی بر تبخیر قطرات را نادیده می‌گیرند. انتظار نمی رود این مولکول ها در یک فرآیند فعال شرکت کنند، بنابراین اولین قدم برای تیم ادینبورگ به رهبری سیمون تیتموس Simon Titmuss، تست نظریه سالمون با یک محلول پلیمری ساده، غیرفعال و غیر بیولوژیکی و تعیین محدوده پارامترهایی که در آن برقرار است، بود.

امواج گویا. تصویر میکروسکوپی بالا لایه ژلی را نشان می دهد که در مرز محلول-هوا در یک محلول پلیمری تشکیل میشود. خمش در پوسته سفتی است که یک لایه ویسکوالاستیک تر را می پوشاند. (عرض میدان دید حدود 1 میلی متر است).

محققان دستگاهی برای اندازه گیری نرخ تبخیر محلول آب-پلیمر معمولی (پلی وینیل الکل یا PVA) در رطوبت های مختلف ساختند. آنها پنج سوراخ در دیواره‌های یک مخزن پلاستیکی استوانه‌ای ایجاد کردند که با محلول پر می‌شد و یک لوله مویرگی شیشه‌ای را به هر سوراخ متصل کردند. لوله ها مستطیل شکل، با سطح مقطع داخلی 4 × 0.2 میلی متر و به صورت افقی از مخزن دور میشدند. محققان این مخزن را با محلول PVA پر کردند. برای اطمینان از اینکه تبخیر فقط در انتهای بیرون زده لوله ها رخ می دهد، آنها یک لایه روغن را در سطح بالایی محلول قرار دادند. مخزن روی یک ترازو قرار داشت و کل مجموعه در جعبه ای با رطوبت کنترل شده واقع می شد. برای رطوبت در مقادیر بین 25 تا 90 درصد، محققان در آزمایش‌هایی که هر کدام حدود 17 ساعت طول کشید، توده آب از دست رفته از مخزن را زیر نظر گرفتند.

در هر آزمایش، سرعت تبخیر در ابتدا برای حدود سه ساعت ثابت ماند. سپس نرخ شروع به کاهش کرد. همانطور که توسط تئوری سالمون پیش‌بینی شده بود، زیرا یک لایه پلیمری در مرز محلول-هوا ایجاد شد. با این حال، نظریه موجود پاسخگوی دو مشاهده نبود. اول، سرعت تبخیر ثابت در مراحل اولیه - قبل از تشکیل شدن لایه پلیمری - با افزایش رطوبت کاهش پیدا نکرد. دوم، پس از سه ساعت اولیه، نرخ تبخیر همانطور که انتظار می رفت کاهش یافت، اما فقط برای مقادیر رطوبت تا 80٪ مستقل از رطوبت بود. در رطوبت‌های بالاتر، با افزایش رطوبت، میزان تبخیر کاهش می‌یابد که نشان می‌دهد نیروهای دیگر وارد عمل می‌شوند.

بررسی انتهای باز لوله های شیشه ای در زیر میکروسکوپ سرنخی به دست داد. در بیرونی‌ترین سطح محلول، به نظر می‌رسید یک لایه از مواد از دیواره‌ها خمیده و کنده شده است. محققان پیشنهاد می‌کنند که این لایه یک پوسته ژله‌ای است که لایه پلیمری نازک‌تر را می‌پوشاند و ترکیب این دو باعث کاهش بیشتر توانایی مولکول‌های آب برای رسیدن به سطح می‌شود. این لایه اضافی توسط نظریه سالمون پیش‌بینی نشده بود، اما محاسباتی که اثرات آن را لحاظ می‌کنند، هر دو تفاوت با این نظریه را توضیح می‌دهند. تیتموس می گوید که اخیراً یک پوسته ژل مانند در سطح مشترک قطرات تنفسی مایع-هوا مشاهده شده است که حاوی پلیمرهای زیستی است، بنابراین اثرات مشابهی ممکن است در این قطرات وجود داشته باشد.

سالمون کار جدید را «قابل توجه» می‌بیند. او می‌گوید که این نتایج انگیزه‌ای قوی برای توسعه مدل‌های جدیدی است که اثراتی مانند خاصیت ارتجاعی لایه ژل‌مانند در مرز مایع-هوا را به حساب می آوردند.

1- M. Huisman et al., “Evaporation of concentrated polymer solutions is insensitive to relative humidity,” Phys. Rev. Lett. 131, 248102 (2023).

2- M. Huisman et al., “Evaporation of concentrated polymer solutions is insensitive to relative humidity,” Phys. Rev. Lett. 131, 248102 (2023).

منبع:

Why Humidity Doesn’t Affect Drying Paint

ترجمه خبر: شهره کرمی