Considere la superficie de agua más cercana:un vaso medio lleno en su escritorio, un charco fuera de tu ventana, o un lago al otro lado de la ciudad. Todas estas superficies representan interfaces líquido-vapor, donde el líquido se encuentra con el aire. Las moléculas de vapor de agua chocan constantemente con estas superficies líquidas:algunas atraviesan la superficie y se condensan, mientras que otros simplemente rebotan.

La probabilidad de que una molécula de vapor rebote, o reflexionar, de una superficie líquida es una propiedad fundamental del agua, muy parecido a su punto de ebullición. Y todavía, en el ultimo siglo, ha habido poco acuerdo sobre la probabilidad de que una molécula de agua rebote en la superficie del líquido.

"Cuando una molécula de vapor de agua golpea una superficie, ¿entra inmediatamente en el líquido? ¿O se desprende y golpea una y otra vez? y luego finalmente entrar? ", dice Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. "Hay mucha controversia, y no hay una manera fácil de medir esta propiedad básica ".

Conocer esta probabilidad de rebote les daría a los científicos una comprensión esencial de una variedad de aplicaciones que involucran el flujo de agua:el movimiento del agua a través del suelo, la formación de nubes y niebla, y la eficiencia de los dispositivos de filtración de agua.

Esta última aplicación estimuló a Karnik y sus colegas, Jongho Lee, un estudiante graduado del MIT en ingeniería mecánica, y Tahar Laoui, profesor de la Universidad King Fahd de Petróleo y Minerales (KFUPM) en Arabia Saudita, para estudiar la probabilidad de que el agua rebote. El grupo está desarrollando membranas para desalación de agua; el éxito de esta tecnología depende, en parte, en la capacidad del vapor de agua para fluir a través de la membrana y condensarse en el otro lado como agua purificada.

Al observar el transporte de agua a través de membranas con poros de varios tamaños, el grupo ha medido la probabilidad de que una molécula de agua se condense o rebote en una superficie líquida a nanoescala. Los resultados, publicado en Nanotecnología de la naturaleza , podría ayudar a diseñar membranas de desalinización más eficientes, y también puede ampliar la comprensión de los científicos sobre el flujo de agua a nanoescala.

"Dondequiera que tenga una superficie de líquido-vapor, va a haber evaporación y condensación, "Dice Karnik." Así que esta probabilidad es bastante universal, ya que define lo que hacen las moléculas de agua en todas esas superficies ".

Interponerse en el camino del flujo

Una de las formas más sencillas de eliminar la sal del agua es hirviéndola y evaporando el agua, separándola de las sales, luego condensándolo como agua purificada. Pero este método consume mucha energía, requiriendo mucho calor.

El grupo de Karnik desarrolló una membrana de desalinización que imita el proceso de ebullición, pero sin necesidad de calor. La membrana fina como una navaja contiene poros a nanoescala que, visto de lado, parecen tubos diminutos. La mitad de cada tubo es hidrofílico, o atrayente de agua, mientras que la otra mitad es hidrofóbica, o repelente al agua.

A medida que el agua fluye del lado hidrofílico al hidrofóbico, pasa de líquido a vapor en la interfaz líquido-vapor, simulando la transición del agua durante el proceso de ebullición. Las moléculas de vapor que viajan a la solución líquida en el otro extremo del nanoporo pueden condensarse o rebotar en él. La membrana permite velocidades de flujo de agua más altas si se condensan más moléculas, en lugar de rebotar.

Diseñar una membrana de desalinización eficiente requiere comprender qué podría impedir que el agua fluya a través de ella. En el caso de la membrana de los investigadores, encontraron que la resistencia al flujo de agua provenía de dos factores:la longitud de los nanoporos en la membrana y la probabilidad de que una molécula rebotara, en lugar de condensar.

En experimentos con membranas cuyos nanoporos variaban en longitud, el equipo observó que la mayor longitud de los poros era el factor principal que impedía el flujo de agua, es decir, cuanto mayor es la distancia que tiene que viajar una molécula, menos probable es que atraviese la membrana. A medida que los poros se acortan, acercando las dos soluciones líquidas, este efecto cede, y las moléculas de agua tienen más posibilidades de pasar.

Pero en cierta medida, Los investigadores encontraron que la resistencia al flujo de agua proviene principalmente de la probabilidad de que una molécula rebote. En otras palabras, en poros muy cortos, el flujo de agua está limitado por la posibilidad de que las moléculas de agua reboten en la superficie del líquido, en lugar de viajar a través de los nanoporos. Cuando los investigadores cuantificaron este efecto, encontraron que solo entre el 20 y el 30 por ciento de las moléculas de vapor de agua que golpean la superficie del líquido se condensan realmente, con la mayoría rebotando.

Un diseño sin rebotes

También encontraron que la probabilidad de rebote de una molécula depende de la temperatura:el 64 por ciento de las moléculas rebotan a 90 grados Fahrenheit, mientras que el 82 por ciento de las moléculas rebotarán a 140 grados. El grupo trazó la probabilidad de que el agua rebotara en relación con la temperatura, produciendo un gráfico al que Karnik dice que los investigadores pueden referirse al computar flujos a nanoescala en muchos sistemas.

"Esta probabilidad nos dice cómo se comportarán las diferentes estructuras de poros en términos de flujo, "Dice Karnik." ¿Qué tan corto tenemos que hacer el poro y qué tasas de flujo obtendremos? Este parámetro afecta directamente las consideraciones de diseño de nuestra membrana de filtración ".

Lee dice que conocer la probabilidad de que el agua rebote también puede ayudar a controlar los niveles de humedad en las celdas de combustible.

"Uno de los problemas con las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones es, después de que el hidrógeno y el oxígeno reaccionen, se genera agua. Pero si tiene un control deficiente del flujo de agua, inundarás la propia celda de combustible, ", Dice Lee." Ese tipo de pila de combustible involucra membranas y estructuras a nanoescala. Si comprende el comportamiento correcto de la condensación o evaporación del agua a nanoescala, puede controlar la humedad de la pila de combustible y mantener un buen rendimiento todo el tiempo ".