Helsingin yliopisto

 

Helsingin yliopiston verkkojulkaisut

University of Helsinki, Helsinki 2006

Theoretical and computational approaches on heterogeneous nucleation

Antti Lauri

Doctoral dissertation, December 2006.
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences, Division of Atmospheric Sciences.

Tässä väitöskirjassa on tutkittu ydintymisilmiötä erityisesti olomuotomuutoksissa ylikyllästystilassa olevasta kaasusta nesteeksi. Ydintymisen kaksi päätyyppiä ovat homogeeninen ydintyminen, jolloin kaasussa muodostuu nestepisaroita, sekä heterogeeninen ydintyminen, jolloin nesteeksi tiivistyminen tapahtuu liukenemattomalla pinnalla.

Ilmakehässä ydintyminen liittyy aerosolihiukkasten syntyyn ja kasvuun. Kasvaessaan aerosolihiukkaset voivat muodostaa pilviä ja sirottaa auringonvaloa ja vaikuttaa siten ilmastoon. Niillä on vaikutuksia myös ihmisten terveyteen. Ilmakehätutkimuksen lisäksi ydintymisen ymmärtäminen on tärkeää mm. materiaalitieteessä, biokemiassa, molekyylibiologiassa ja fysikaalisessa kemiassa.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan ydintymisilmiöitä kahdesta näkökulmasta: klassisen ydintymisteorian ja tilastollisen mekaniikan menetelmien kautta. Klassinen ydintymisteoria perustuu termodynamiikkaan ja makroskooppisiin mittauksiin perustuvien suureiden käyttöön, myös tapauksissa, joissa tarkasteltava systeemi koostuu vain muutamista molekyyleistä. Tilastollisen mekaniikan mukaisessa lähestymistavassa tarkastellaan yksittäisten molekyylien vuorovaikutuksia, jolloin klassisen teorian mukaisia approksimaatiota ei tarvita. Työssä on koottu yhteen tämänhetkinen heterogeenisen ydintymisen teoreettinen tietämys ja hyödynnetty sitä tietokonemalleissa. Työssä osoitetaan mallinnustuloksin, miltä osin klassinen teoria on puutteellinen, ehdotetaan keinoja korjata näitä puutteita sekä esitetään uusi tarkka heterogeenisen ydintymisen molekyylitason lähestymistapa, jota on testattu suorittamalla Monte Carlo -simulaatioita.

Väitöskirjatyössä on mallinnettu useiden aineiden ydintymisprosessia erilaisissa tilanteissa. Argonkaasua on simuloitu homogeenisen ydintymisen tapauksessa, samoin sen heterogeenista ydintymistä platinapinnalla. Veden heterogeenista ydintymistä on tutkittu paperin, teflonin ja sellofaanin pinnalla. Lisäksi työssä on mallinnettu veden ja rikkihapon sekä veden ja n-propanolin kahden komponentin heterogeenista ydintymistä hopeananohiukkasten pinnalla. Tuloksia on verrattu laboratoriomittauksiin. Työssä käytetyn kahden lähestymistavan aiheuttamat erovaisuudet on myös raportoitu.

Väitöskirjassa esitetyt metodit ja tulokset ovat hyödynnettävissä esimerkiksi tulkittaessa ilmakehän aerosolihiukkasten mittauksia sekä ilmakehämallien parametrisaatioissa.

Julkaisun nimiösivu

This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

© University of Helsinki 2006

Last updated 30.11.2006

Yhteystiedot, Contact information E-thesis Helsingin yliopisto, University of Helsinki