La propiedad del agua que permite a un insecto rozar la superficie de un estanque o mantiene un clip cuidadosamente colocado flotando en la parte superior de una taza de agua se conoce como tensión superficial. Comprender la tensión superficial del agua es importante en una amplia gama de aplicaciones, incluida la transferencia de calor, desalinización, y oceanografía. Aunque se sabe mucho sobre la tensión superficial del agua dulce, Se sabía muy poco sobre la tensión superficial del agua de mar, hasta hace poco.

En 2012, John Lienhard, el Profesor Abdul Latif Jameel de Ingeniería Mecánica y del Agua, y el entonces estudiante de posgrado Kishor Nayar SM '14, Doctor. '19 se embarcó en un proyecto de investigación para comprender cómo cambia la tensión superficial del agua de mar con la temperatura y la salinidad. Dos años después, publicaron sus hallazgos en el Journal of Physical and Chemical Reference Data. Esta primavera, la Asociación Internacional para las Propiedades del Agua y el Vapor (IAPWS) anunció que habían considerado el trabajo de Lienhard y Nayar como una guía internacional.

Según IAPWS, La investigación de Lienhard y Nayar "presenta una correlación de la tensión superficial del agua de mar en función de la temperatura y la salinidad". El anuncio de la directriz marcó la finalización de ocho años de trabajo con decenas de colaboradores del MIT y de todo el mundo.

"Este proyecto surgió de mi trabajo en desalación. En desalación, necesita saber sobre la tensión superficial del agua porque eso afecta la forma en que el agua viaja a través de los poros de una membrana, "explica Lienhard, un experto líder mundial en desalinización, el proceso mediante el cual se trata el agua salada para convertirla en agua dulce potable.

Lienhard sugirió que Nayar tomara medidas de la tensión superficial del agua de mar y comparara los resultados con la tensión superficial del agua pura. Como pronto descubrirían, obtener datos fiables del agua salada resultaría increíblemente difícil.

"Habíamos pensado originalmente que estos experimentos serían bastante simples de hacer, que estaríamos listos en uno o dos meses. Pero cuando empezamos a investigarlo, nos dimos cuenta de que era un problema mucho más difícil de abordar, "dice Lienhard.

Desde el comienzo, Nayar esperaba obtener suficientes datos precisos para informar un estándar de propiedad. Hacerlo requeriría que la incertidumbre en las mediciones sea menor al 1 por ciento.

"Cuando se habla de mediciones de propiedades, debe ser lo más preciso posible, "explica Nayar. El primer obstáculo que tuvo que superar para lograr este nivel de precisión fue encontrar la instrumentación adecuada para realizar mediciones confiables, algo que resultó no ser una tarea fácil.

Medir la tensión superficial

Para medir la tensión superficial del agua, Lienhard y Nayar se unieron a Gareth McKinley, profesor de ingeniería mecánica, y la entonces estudiante de posgrado Divya Panchanathan SM '15, Doctor. '18. Comenzaron con un dispositivo conocido como placa Wilhelmy, que encuentra la tensión superficial bajando una pequeña placa de platino en un vaso de precipitados con agua y luego midiendo la fuerza que ejerce el agua cuando se eleva la placa.

Nayar y Panchanathan lucharon por medir la tensión superficial del agua salada a temperaturas más altas. "El problema que seguimos encontrando fue que una vez que la temperatura estaba por encima de los 50 grados Celsius, el agua del vaso de precipitados se evaporó más rápido de lo que pudimos tomar las medidas, "Dice Nayar.

Ningún instrumento les permitiría obtener los datos que necesitaban, por lo que Nayar se dirigió a MIT Hobby Shop. Usando un torno, construyó una tapa especial para que el vaso de precipitados retenga el vapor.

"La pequeña tapa que Kishor construyó tenía puertas cortadas con precisión que le permitían pasar una sonda de tensión superficial a través de la tapa sin dejar salir el vapor de agua, "explica Lienhard.

Después de avanzar en la obtención de datos, el equipo sufrió un gran revés. Encontraron que escamas de sal apenas visibles, que se formaron en su vaso de prueba con el tiempo, había introducido errores en sus medidas. Para obtener los valores más precisos, decidieron utilizar vasos de precipitados nuevos y frescos para cada prueba. Como resultado, Nayar tuvo que repetir nueve meses de trabajo justo antes de la fecha límite de su tesis de maestría. Afortunadamente, desde que se identificó y resolvió el problema principal, los experimentos podrían repetirse mucho más rápido.

Nayar pudo rehacer los experimentos a tiempo. El equipo midió la tensión superficial en el agua de mar en un rango de temperatura ambiente a 90 grados Celsius y niveles de salinidad que van desde agua pura hasta cuatro veces la salinidad del agua del océano. Descubrieron que la tensión superficial disminuye aproximadamente en un 20 por ciento a medida que el agua pasa de la temperatura ambiente a la ebullición. Mientras tanto, a medida que aumenta la salinidad, La tensión superficial también aumenta. El equipo había descubierto el misterio de la tensión superficial del agua de mar.

"Fue literalmente lo más técnicamente desafiante que había hecho en mi vida, "Recuerda Nayar.

Sus datos tuvieron una desviación promedio de 0.19 por ciento, con una desviación máxima de sólo el 0,6 por ciento, muy dentro del límite del 1 por ciento necesario para una directriz.

De la tesis de maestría a la pauta internacional

Tres años después de completar su tesis de maestría, Nayar, para entonces un Ph.D. estudiante, asistió a una reunión de IAPWS en Kioto, Japón. IAPWS es una organización internacional sin fines de lucro responsable de publicar estándares sobre las propiedades del agua y el vapor. Allí, Nayar se reunió con líderes en el campo de la tensión superficial del agua que habían estado luchando con los mismos problemas que Nayar había enfrentado. Estos contactos lo introdujeron a la larga, riguroso proceso de declaración de algo como una pauta internacional.

El IAPWS había publicado previamente estándares sobre las propiedades del vapor desarrollados por el difunto Joseph Henry Keenan, profesor y ex jefe del departamento de ingeniería mecánica del MIT. Para unirse a Keenan como autores de un estándar IAPWS, Los datos del equipo debían ser verificados mediante mediciones realizadas por otros investigadores. Después de tres años de trabajar con IAPWS, El trabajo del equipo fue finalmente adoptado como guía internacional.

Para Nayar, quien se graduó con su Ph.D. el año pasado y ahora es ingeniero senior de aguas industriales / aguas residuales en la firma consultora de ingeniería GHD, el anuncio de la directriz hizo que los largos meses de recopilación de datos valieran la pena. "Se sintió como si algo se estuviera completando, "recuerda.

Los hallazgos que Nayar, Panchanathan, McKinley, y Lienhard informaron en 2014 son ampliamente aplicables a una serie de industrias, según Lienhard. "Ciertamente es relevante para el trabajo de desalinización, sino también para problemas oceanográficos como la dinámica de las ondas capilares, " el explica.

También ayuda a explicar cómo las cosas pequeñas, como un insecto o un clip, pueden flotar en el agua del mar.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.