A multiscale model for bubble nucleation thresholds on solid walls in the presence of nanometre-sized defects

纳米 气泡 成核 材料科学 固体表面 机械 纳米技术 化学物理 热力学 物理 复合材料
作者
Changsheng Chen,Yawen Gao,Feng Wang,Chao Sun
出处
期刊:Journal of Fluid Mechanics [Cambridge University Press]
卷期号:1015 被引量:4
标识
DOI:10.1017/jfm.2025.10374
摘要

The nucleation of bubbles on rough substrates has been widely investigated in various applications such as electrolysis processes and fluid transportation in pipelines. However, the microscopic mechanisms underlying surface bubble nucleation are not fully understood. Using molecular dynamics simulations, we evaluate the probability of surface bubble nucleation, quantified by the magnitude of the nucleation threshold. Bubble nucleation preferentially occurs at the solid interfaces containing nanoscale defects or wells (nanowells), where reduced nucleation thresholds are observed. For the gas-entrapped nanowell, as the nanowell width decreases, the threshold of bubble nucleation around the nanowell gradually increases, eventually approaching a critical value close to that of a smooth surface. This results from a decrease in the amount of entrapped gas that promotes bubble nucleation, and the entrapped gas eventually converges to a critical state as the width decreases. For the liquid-filled nanowell, bubble nucleation initiates from the inner corner of the large nanowell. As the nanowell width decreases, the threshold is first kept constant and then decreases. This results from a decrease in the amount of filled liquid that inhibits bubble nucleation and from the enhanced confinement effect of the inner wall on the filled liquid as the width decreases. In this work, we propose a multiscale model integrating classical nucleation theory, van der Waals fluid theory and statistical mechanics to describe the relationship between nucleation threshold and nanowell width. Eventually, a unified phase diagram of bubble nucleation at the rough interface is summarised, offering fundamental insights for integrated system design.
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