La nucleación es un fenómeno ubicuo que gobierna la formación tanto de gotas como de burbujas en los sistemas utilizados para la condensación. desalinización, agua dividida, 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 observar el proceso directamente en detalle, que podría facilitar el diseño de mejoras, Superficies más eficientes para una variedad de tales procesos.

La innovación utiliza equipo de microscopio electrónico de barrido convencional, pero agrega una nueva técnica de procesamiento que puede aumentar la sensibilidad general hasta diez veces y también mejora el contraste y la resolución. Usando este enfoque, los investigadores pudieron observar directamente la distribución espacial de los sitios de nucleación en una superficie y rastrear cómo eso cambió con el 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 la revista. Informes celulares Ciencias físicas , en un artículo del estudiante graduado del MIT Lenan Zhang; el científico investigador visitante Ryuichi Iwata; la profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang; y otros nueve 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 ciclan el vapor en las plantas de energía eléctrica de regreso al agua, cada gota requiere un sitio de nucleación inicial, a partir de la cual se acumula. La formación de esos sitios de nucleación es aleatoria e impredecible, por lo que el diseño de tales sistemas se basa en estimaciones estadísticas de su distribución. Según los nuevos hallazgos, sin embargo, el método estadístico que se ha utilizado para estos cálculos durante décadas es incorrecto, y en su lugar debería usarse uno diferente.

Las imágenes de alta resolución del proceso de nucleación, junto con los modelos matemáticos que el equipo desarrolló, permiten describir la distribución de los sitios de nucleación en términos estrictamente cuantitativos. "La razón por la que esto es tan importante, "Wang dice, "se debe a que la nucleación ocurre prácticamente en todo, en muchos procesos físicos, ya sea natural o en materiales y sistemas de ingeniería. Por eso, Creo que comprender esto de manera más fundamental es una oportunidad realmente poderosa ".

El proceso que utilizaron, llamado microscopía electrónica de barrido ambiental de fase mejorada (p-ESEM), permite mirar a través de la niebla electrónica causada por una nube de electrones que se dispersan por las moléculas de gas en movimiento sobre la superficie de la que se toman imágenes. ESEM convencional "puede generar imágenes de una muestra muy amplia de material, que es muy singular en comparación con un microscopio electrónico típico, 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 encontraron una forma de utilizar la fase de las ondas de electrones, y los retrasos en esa fase que se generan cuando el electrón golpea algo. Esta información de retardo de fase es extremadamente sensible a las más mínimas perturbaciones, hasta la escala nanométrica, Zhang dice:y la técnica que desarrollaron permite utilizar estas relaciones de fase de onda de electrón para reconstruir una imagen más detallada.

Al usar este método, él dice, "podemos mejorar mucho mejor el contraste de la imagen, y luego somos capaces de reconstruir o obtener imágenes directamente de los electrones a 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 ".

El avance permitió al equipo estudiar problemas fundamentales sobre el proceso de nucleación, como la diferencia entre la densidad del sitio y la distancia más cercana entre sitios. Resulta que las estimaciones de esa relación que han utilizado los ingenieros durante más de medio siglo han sido incorrectas. Se han basado en una relación llamada distribución de Poisson, tanto para la densidad del sitio como para la función de vecino más cercano, cuando de hecho el 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 en esta escala microscópica en realidad determina el comportamiento macroscópico del sistema ". Por ejemplo, en condensación y ebullición, determina el coeficiente de transferencia de calor, y al hervir incluso el flujo de calor crítico, "la medida que determina qué tan caliente puede calentarse un sistema de agua hirviendo antes de desencadenar una falla catastrófica.

Los hallazgos también se relacionan con mucho más que la condensación de agua. "Nuestro hallazgo sobre la distribución del sitio 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 material ". Por ejemplo, él dice, en sistemas de división de agua, que se puede utilizar para generar combustible en forma de hidrógeno a partir de electricidad procedente de fuentes renovables. La dinámica de la formación de burbujas en tales sistemas es clave para su desempeño general, y está determinada en gran parte por el proceso de nucleación.

Iwata añade que "parece que la ruptura del agua y la condensación son fenómenos muy diferentes, pero encontramos una ley universal entre ellos. Así que estamos muy emocionados por eso ".

Diversas aplicaciones

Muchos otros fenómenos también dependen de la nucleación, incluyendo procesos tales 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 que desarrolló el equipo también se puede utilizar para probar una variedad de procesos físicos diferentes, dicen los investigadores. Zhang dice que podría aplicarse también a "procesos electroquímicos, física de polímeros, y biomateriales, porque todos estos tipos de materiales se estudian ampliamente utilizando el ESEM convencional. Todavía, utilizando el p-ESEM, Definitivamente podemos obtener un rendimiento mucho mejor debido a la alta sensibilidad intrínseca "de este sistema.

El sistema p-ESEM, Zhang dice:mejorando el contraste y la sensibilidad, Puede mejorar la intensidad de la señal en relación con el ruido de fondo hasta 10 veces.