Es un proceso tan fundamental para la vida cotidiana, en todo, desde la cafetera matutina hasta la enorme planta de energía que proporciona su electricidad, que a menudo se da por sentado:la forma en que un líquido se evapora de una superficie caliente.

Sin embargo, sorprendentemente, este proceso básico tiene solo ahora, por primera vez, ha sido analizado en detalle a nivel molecular, en un nuevo análisis del postdoctorado del MIT Zhengmao Lu, profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang, y otros tres en el MIT y la Universidad de Tokio. El estudio aparece en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

"Resulta que para el proceso de cambio de fase de líquido a vapor, una comprensión fundamental de eso todavía es relativamente limitada, "Explica Wang." Si bien se han desarrollado muchas teorías, en realidad no ha habido evidencia experimental de los límites fundamentales de la física de la evaporación ".

Es un proceso importante de entender porque es muy ubicuo. "La evaporación prevalece en todo tipo de sistemas diferentes, como la generación de vapor para centrales eléctricas, tecnologías de desalación de agua, destilación por membrana, y gestión térmica, como tubos de calor, por ejemplo, ", Dice Wang. Optimizar la eficiencia de tales procesos requiere una comprensión clara de la dinámica en juego, pero en muchos casos los ingenieros se basan en aproximaciones u observaciones empíricas para guiar sus elecciones de materiales y condiciones de operación.

Mediante el uso de una nueva técnica para controlar y detectar temperaturas en la superficie de un líquido en evaporación, los investigadores pudieron identificar un conjunto de características universales que involucran el tiempo, cambios de presión y temperatura que determinan los detalles del proceso de evaporación. En el proceso, descubrieron que el factor clave que determinaba qué tan rápido se podía evaporar el líquido no era la diferencia de temperatura entre la superficie y el líquido, sino más bien la diferencia de presión entre la superficie del líquido y el vapor ambiental.

La "pregunta bastante simple" de cómo se evapora un líquido a una temperatura y presión determinadas, ha quedado sin respuesta a pesar de muchas décadas de estudio, dice Pawel Keblinski, profesor y jefe del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales del Instituto Politécnico Rensselaer (RPI), que no estuvo involucrado en este trabajo. "Mientras que los teóricos especulaban durante más de un siglo, el experimento fue de poca ayuda, ya que ver la interfaz líquido-vapor que se evapora y conocer la temperatura y la presión cerca de las interfaces es extremadamente desafiante, " él dice.

Este nuevo trabajo Keblinski dice:"nos acerca a la verdad". Junto con otras nuevas técnicas de observación desarrolladas por otros, los nuevos conocimientos "nos pondrán en el camino de cuantificar finalmente el proceso de evaporación después de un siglo de esfuerzos, " él dice.

El éxito de los investigadores se debió en parte a la eliminación de otros factores que complican el análisis. Por ejemplo, la evaporación del líquido en el aire se ve fuertemente afectada por las propiedades aislantes del aire mismo, Entonces, para estos experimentos, el proceso se observó en una cámara con solo el líquido y el vapor presentes, aislado del aire circundante. Luego, para sondear los efectos justo en el límite entre el líquido y el vapor, los investigadores utilizaron una membrana muy fina plagada de pequeños poros para confinar el agua, caliéntalo, y medir su temperatura.

Esa membrana solo 200 nanómetros (mil millonésimas de metro) de espesor, hecho de nitruro de silicio y recubierto de oro, lleva agua a través de sus poros por capilaridad, y se calienta eléctricamente para hacer que el agua se evapore. Luego, "también usamos esa membrana como sensor, para detectar la temperatura de la superficie de evaporación de forma precisa y no invasiva, "Dice Lu.

El revestimiento dorado de la membrana es crucial, él añade. La resistencia eléctrica del oro varía directamente en función de la temperatura, así, calibrando cuidadosamente el sistema antes del experimento, son capaces de obtener una lectura directa de la temperatura en el punto exacto donde se está produciendo la evaporación, momento por momento, simplemente leyendo la resistencia de la membrana.

Los datos que recopilaron "sugieren que la fuerza impulsora real o el potencial impulsor de este proceso no es la diferencia de temperatura, pero en realidad la diferencia de presión, ", Dice Wang." Eso es lo que hace que todo esté alineado ahora con esta curva realmente agradable, que encaja bien con lo que predeciría la teoría, " ella dice.

Si bien puede parecer simple en principio, desarrollando realmente la membrana necesaria con sus poros de 100 nanómetros de ancho, que se realizan mediante un método llamado litografía de interferencia, y lograr que todo el sistema funcione correctamente requirió dos años de arduo trabajo, ella dice.

En general, los hallazgos hasta ahora "son consistentes con lo que predice la teoría, "Lu dice, pero sigue siendo importante tener esa confirmación. "Si bien las teorías han predicho cosas, no ha habido evidencia experimental de que las teorías sean correctas, Wang agrega.

Los nuevos hallazgos también brindan orientación para los ingenieros que diseñan nuevos sistemas basados ​​en la evaporación, proporcionar información sobre la selección de los mejores fluidos de trabajo para una situación determinada, así como las condiciones de presión y eliminación del aire ambiente del sistema. "Con este sistema como guía, puede optimizar las condiciones de trabajo para ciertos tipos de aplicaciones, "Dice Lu.

Este equipo "hizo una serie de experimentos elegantes diseñados para confirmar predicciones teóricas, "dice Joel Plawsky, profesor de ingeniería química y biológica en

RPI, que no estuvo involucrado en este trabajo. "El aparato era único y meticulosamente difícil de fabricar y operar. Los datos eran excepcionales en su calidad y detalle. En cualquier momento uno puede colapsar una gran variedad de datos desarrollando una formulación adimensional, " es decir, uno que se aplica igualmente bien en una amplia variedad de condiciones, "que representa un gran avance para la ingeniería, " él dice.

Plawsly agrega, "Hay muchas preguntas que abre este trabajo sobre el comportamiento de diferentes fluidos y de mezclas de fluidos. Uno puede imaginar muchos años de trabajo de seguimiento".

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.