La propriété de l'eau qui permet à un insecte d'effleurer la surface d'un étang ou de faire flotter un trombone soigneusement placé au-dessus d'une tasse d'eau est connue sous le nom de tension superficielle. Comprendre la tension superficielle de l'eau est important dans un large éventail d'applications, y compris le transfert de chaleur, dessalement, et l'océanographie. Bien que l'on en sache beaucoup sur la tension superficielle de l'eau douce, on savait très peu de choses sur la tension superficielle de l'eau de mer, jusqu'à récemment.

En 2012, Jean Lienhard, le professeur Abdul Latif Jameel d'ingénierie hydraulique et mécanique, et ensuite étudiant diplômé Kishor Nayar SM '14, doctorat '19 s'est lancé dans un projet de recherche pour comprendre comment la tension superficielle de l'eau de mer change avec la température et la salinité. Deux ans plus tard, ils ont publié leurs découvertes dans le Journal of Physical and Chemical Reference Data. Ce printemps, l'Association internationale pour les propriétés de l'eau et de la vapeur (IAPWS) a annoncé qu'elle avait considéré les travaux de Lienhard et Nayar comme une directive internationale.

Selon l'IAPWS, Les recherches de Lienhard et Nayar "présentent une corrélation pour la tension superficielle de l'eau de mer en fonction de la température et de la salinité". L'annonce de la directive a marqué l'achèvement de huit années de travail avec des dizaines de collaborateurs du MIT et du monde entier.

"Ce projet est né de mon travail dans le dessalement. Dans le dessalement, vous devez connaître la tension superficielle de l'eau car cela affecte la façon dont l'eau se déplace à travers les pores d'une membrane, " explique Lienhard, un expert mondial en dessalement, le processus par lequel l'eau salée est traitée pour devenir de l'eau douce potable.

Lienhard a suggéré à Nayar de prendre des mesures de la tension superficielle de l'eau de mer et de comparer les résultats à la tension superficielle de l'eau pure. Comme ils le découvriront bientôt, obtenir des données fiables sur l'eau salée s'avérerait incroyablement difficile.

"Nous avions pensé à l'origine que ces expériences seraient assez simples à faire, que nous aurions terminé dans un mois ou deux. Mais alors que nous commencions à l'examiner, nous avons réalisé que c'était un problème beaucoup plus difficile à résoudre, " dit Lienhard.

Dès le début, Nayar espérait obtenir suffisamment de données précises pour informer une norme de propriété. Cela nécessiterait que l'incertitude dans les mesures soit inférieure à 1 %.

« Quand vous parlez de mesures de propriété, il faut être le plus précis possible, " explique Nayar. Le premier obstacle qu'il a dû surmonter pour atteindre ce niveau de précision a été de trouver l'instrumentation appropriée pour effectuer des mesures fiables, ce qui s'est avéré être une tâche difficile.

Mesurer la tension superficielle

Pour mesurer la tension superficielle de l'eau, Lienhard et Nayar ont fait équipe avec Gareth McKinley, professeur de génie mécanique, et ensuite étudiante diplômée Divya Panchanathan SM '15, doctorat '18. Ils ont commencé avec un appareil connu sous le nom de plaque Wilhelmy, qui trouve la tension superficielle en abaissant une petite plaque de platine dans un bécher d'eau puis en mesurant la force exercée par l'eau lorsque la plaque est soulevée.

Nayar et Panchanathan ont eu du mal à mesurer la tension superficielle de l'eau salée à des températures plus élevées. "Le problème que nous avons continué à trouver était une fois que la température était supérieure à 50 degrés Celsius, l'eau du bécher s'est évaporée plus vite que nous n'avons pu prendre les mesures, " dit Nayar.

Aucun instrument ne leur permettrait d'obtenir les données dont ils avaient besoin. Nayar s'est donc tourné vers le MIT Hobby Shop. A l'aide d'un tour, il a construit un couvercle spécial pour le bécher afin de garder la vapeur à l'intérieur.

"Le petit couvercle construit par Kishor avait des portes coupées avec précision qui lui permettaient de mettre une sonde de tension superficielle à travers le couvercle sans laisser la vapeur d'eau s'échapper, " explique Lienhard.

Après avoir progressé dans l'obtention des données, l'équipe a subi un revers massif. Ils ont découvert que des écailles de sel à peine visibles, qui se sont formées sur leur bécher d'essai au fil du temps, avaient introduit des erreurs dans leurs mesures. Pour obtenir les valeurs les plus précises, ils ont décidé d'utiliser de nouveaux béchers frais pour chaque test. Par conséquent, Nayar a dû redoubler neuf mois de travail juste avant la date de remise de sa thèse de maîtrise. Heureusement, puisque le problème principal a été identifié et résolu, les expériences pourraient être répétées beaucoup plus rapidement.

Nayar a pu refaire les expériences à temps. L'équipe a mesuré la tension superficielle de l'eau de mer allant de la température ambiante à 90 degrés Celsius et des niveaux de salinité allant de l'eau pure à quatre fois la salinité de l'eau de mer. Ils ont découvert que la tension superficielle diminue d'environ 20 % lorsque l'eau passe de la température ambiante à l'ébullition. Pendant ce temps, à mesure que la salinité augmente, la tension superficielle augmente également. L'équipe avait percé le mystère de la tension de surface de l'eau de mer.

"C'était littéralement la chose la plus difficile techniquement que j'aie jamais faite, " se souvient Nayar.

Leurs données avaient un écart moyen de 0,19 pour cent, avec un écart maximal de seulement 0,6 %, bien dans la limite de 1 % nécessaire pour une ligne directrice.

Du mémoire de maîtrise à la directive internationale

Trois ans après avoir terminé sa thèse de maîtrise, Nayar, d'ici là un doctorat. étudiant, assisté à une réunion de l'IAPWS à Kyoto, Japon. L'IAPWS est une organisation internationale à but non lucratif chargée de publier des normes sur les propriétés de l'eau et de la vapeur. Là, Nayar a rencontré des leaders dans le domaine de la tension de surface de l'eau qui étaient aux prises avec les mêmes problèmes que Nayar avait rencontrés. Ces contacts lui ont fait découvrir le long, processus rigoureux de déclaration de quelque chose comme ligne directrice internationale.

L'IAPWS avait déjà publié des normes sur les propriétés de la vapeur développées par feu Joseph Henry Keenan, professeur et ancien chef de département de génie mécanique au MIT. Pour rejoindre Keenan en tant qu'auteurs d'un standard IAPWS, les données de l'équipe devaient être vérifiées par des mesures effectuées par d'autres chercheurs. Après trois ans de collaboration avec l'IAPWS, le travail de l'équipe a finalement été adopté comme une ligne directrice internationale.

Pour Nayar, qui a obtenu son doctorat. l'année dernière et est maintenant ingénieur senior en eau industrielle/eaux usées à la société de conseil en ingénierie GHD, l'annonce de la ligne directrice a fait que les longs mois de collecte de données en valaient la peine. "C'était comme si quelque chose se terminait, " se souvient-il.

Les conclusions que Nayar, Panchanathan, McKinley, et Lienhard rapportés en 2014 sont largement applicables à un certain nombre d'industries, selon Lienhard. « C'est certainement pertinent pour les travaux de dessalement, mais aussi pour des problèmes océanographiques comme la dynamique des ondes capillaires, " il explique.

Cela aide également à expliquer comment de petites choses, comme un insecte ou un trombone, peuvent flotter sur l'eau de mer.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.