La nucleación es un fenómeno generalizado que gobierna la formación de gotitas y burbujas en los sistemas utilizados para la condensación, desalinización, división del agua, crecimiento de cristales y muchos otros procesos industriales importantes. Ahora, por primera vez, una nueva técnica de microscopía desarrollada en el MIT y en otros lugares permite que el proceso se observe directamente en detalle, lo que podría facilitar el diseño de superficies mejoradas y más eficientes para una variedad de estos procesos.
Esta innovación utiliza equipo de microscopio electrónico de barrido convencional, pero agrega una nueva técnica de procesamiento que puede aumentar diez veces la sensibilidad general y también mejorar el contraste y la resolución. Con este enfoque, los investigadores pudieron observar directamente la distribución espacial de los sitios de nucleación en una superficie y seguir su evolución a lo largo del tiempo. Luego, el equipo utilizó esta información para obtener una descripción matemática precisa del proceso y las variables que lo controlan.
La nueva técnica podría potencialmente aplicarse a una amplia variedad de áreas de investigación. Se describe hoy en el periódico. Informes celulares Ciencias físicas, en un artículo del estudiante graduado del MIT Lenan Zhang; el científico visitante Ryuichi Iwata; profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang; y nueve más en el MIT, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad Jiao Tong de Shanghai.
"Una oportunidad realmente poderosa"
Cuando las gotas se condensan en una superficie plana, como en los condensadores que reciclan el vapor en las plantas de energía de nuevo en agua, cada gota requiere un sitio de nucleación inicial, a partir del cual se acumula. La formación de estos sitios de nucleación es aleatoria e impredecible, por lo que el diseño de estos sistemas se basa en estimaciones estadísticas de su distribución. Sin embargo, de acuerdo con los nuevos hallazgos, el método estadístico utilizado para estos cálculos durante décadas es incorrecto y debería utilizarse un método diferente en su lugar.
Las imágenes de alta resolución del proceso de nucleación, así como los modelos matemáticos desarrollados por el equipo, permiten describir la distribución de los sitios de nucleación en términos estrictamente cuantitativos. "La razón por la que es tan importante", dice Wang, "es que la nucleación ocurre en casi todo, en muchos procesos físicos, ya sean naturales o en materiales y sistemas. Ingenieria. Por esta razón, creo que entender esto de una manera más fundamental es una oportunidad realmente poderosa.
El proceso que utilizaron, llamado microscopía electrónica de barrido ambiental de fase mejorada (p-ESEM), nos permite ver a través de la niebla de electrones causada por una nube de electrones que dispersan moléculas de gas en movimiento en la superficie a ser fotografiada. El ESEM convencional "puede obtener imágenes de una muestra muy grande de material, lo cual es muy singular en comparación con un microscopio electrónico convencional, pero la resolución es pobre" debido a esta dispersión de electrones, que genera ruido. aleatorio, dice Zhang.
Aprovechando el hecho de que los electrones pueden describirse como partículas u ondas, los investigadores han encontrado una forma de utilizar la fase de las ondas electrónicas y los retrasos en esta fase que se generan cuando el electrón golpea algo. Esta información de retardo de fase es extremadamente sensible a la más mínima perturbación, hasta la nanoescala, dice Zhang, y la técnica que desarrollaron hace uso de estas relaciones entre electrones y fases. ondas para reconstruir una imagen más detallada.
Al utilizar este método, dice, "podemos lograr una mejora del contraste de imágenes mucho mejor de lo que somos capaces de reconstruir o generar imágenes directamente de electrones de unas pocas micras o incluso a una escala submicrónica". Esto nos permite ver el proceso de nucleación y la distribución de la gran cantidad de sitios de nucleación.
Este avance permitió al equipo investigar cuestiones fundamentales con respecto al proceso de nucleación, como la diferencia entre la densidad del sitio y la distancia más cercana entre los sitios. Resulta que las estimaciones de esta relación que han utilizado los ingenieros durante más de medio siglo son incorrectas. Se basaron en una relación llamada distribución de Poisson, tanto para la densidad del sitio como para la función de vecino más cercano, cuando de hecho un nuevo trabajo muestra que una relación diferente, la distribución de Rayleigh, describe con mayor precisión la relación de vecino más cercano.
Zhang explica que esto es importante, porque "la nucleación es un comportamiento muy microscópico, pero la distribución de los sitios de nucleación a esta escala microscópica determina realmente el comportamiento macroscópico del sistema". Por ejemplo, en la condensación y la ebullición, determina el coeficiente de transferencia de calor y, en la ebullición, el flujo de calor crítico ”, la métrica que determina qué tan bien calentará un sistema. El agua hirviendo puede calentarse antes de provocar una falla catastrófica.
Los resultados también son mucho más que la condensación de agua. “Nuestro descubrimiento sobre la distribución de los sitios de nucleación es universal”, dice Iwata. "Se puede aplicar a una variedad de sistemas que involucran un proceso de nucleación, como la división del agua y el crecimiento de materiales". Por ejemplo, dice, en los sistemas de división de agua, que se pueden utilizar para generar combustible en forma de hidrógeno a partir de electricidad a partir de fuentes renovables. La dinámica de la formación de burbujas en tales sistemas es clave para su desempeño general y está determinada en gran medida por el proceso de nucleación.
Iwata añade que “parece que la división y condensación del agua son fenómenos muy diferentes, pero hemos encontrado una ley universal entre ellos. Así que estamos muy emocionados por ello.
Varias aplicaciones
Muchos otros fenómenos también dependen de la nucleación, incluidos procesos como el crecimiento de películas cristalinas, incluido el diamante, a través de superficies. Estos procesos son cada vez más importantes en una amplia variedad de aplicaciones de alta tecnología.
Además de la nucleación, la nueva técnica p-ESEM desarrollada por el equipo también se puede utilizar para probar una variedad de procesos físicos diferentes, dicen los investigadores. Zhang dice que podría aplicarse a 'procesos electroquímicos, física de polímeros y biomateriales también, ya que todos estos tipos de materiales se estudian ampliamente utilizando ESEM convencional. Sin embargo, al utilizar p-ESEM, ciertamente podemos lograr un rendimiento mucho mejor debido a la alta sensibilidad intrínseca "de este sistema.
Según Zhang, el sistema p-ESEM, al mejorar el contraste y la sensibilidad, puede aumentar diez veces la intensidad de la señal en comparación con el ruido de fondo.
Nenad Miljkovic, profesor de ciencia mecánica e ingeniería en la Universidad de Illinois que no estuvo asociado con este trabajo, dice: “La nucleación gobierna una plétora de fenómenos como la nucleación. Ebullición, condensación y deposición de vapor químico (como se menciona en el artículo), pero también una multitud de otras transiciones de fase como ensuciamiento por precipitación, iniciación de la corrosión, así como solidificación del hielo o materiales de cambio de fase en el almacenamiento de energía.
Añade: "Clásicamente, el trabajo anterior se ha basado en las estadísticas de Poisson para obtener una estimación del espaciado entre vecinos más cercanos, que luego se puede utilizar en modelos para predecir la transferencia de calor, tasas de dinámica de crecimiento o reacción en función del proceso en curso. El trabajo actual cambia fundamentalmente esta visión clásica.
El equipo de investigación incluyó a Lin Zhao, Shuai Gong, Zhengmao Lu, Yang Zhong, Samuel Cruz y Kyle Wilke del MIT; Jinlong Zhu, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign; y Zhenyuan Xu y Ping Cheng en la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China. El trabajo fue apoyado por la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y Tecnología, los Laboratorios Centrales de Investigación y Desarrollo de Toyota y la Fundación Nacional de Ciencia de China y el Proyecto Principal Nacional de Ciencia y Tecnología.