C'est un processus si fondamental dans la vie de tous les jours, de votre cafetière du matin à l'énorme centrale électrique qui fournit son électricité, qu'il est souvent tenu pour acquis :la façon dont un liquide bout d'une surface chaude.

Pourtant, étonnamment, ce processus de base n'a que maintenant, pour la première fois, ont été analysés en détail au niveau moléculaire, dans une nouvelle analyse du postdoctorant du MIT Zhengmao Lu, professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, et trois autres au MIT et à l'Université de Tokyo. L'étude paraît dans la revue Communication Nature .

"Il s'avère que pour le processus de changement de phase liquide-vapeur, une compréhension fondamentale de cela est encore relativement limitée, " explique Wang. " Bien qu'il y ait eu beaucoup de théories développées, il n'y a en fait pas eu de preuves expérimentales des limites fondamentales de la physique de l'évaporation."

C'est un processus important à comprendre parce qu'il est si omniprésent. "L'évaporation est répandue dans toutes sortes de différents types de systèmes tels que la production de vapeur pour les centrales électriques, technologies de dessalement de l'eau, distillation membranaire, et la gestion thermique, comme des caloducs, par exemple, " dit Wang. Optimiser l'efficacité de tels processus nécessite une compréhension claire de la dynamique en jeu, mais dans de nombreux cas, les ingénieurs s'appuient sur des approximations ou des observations empiriques pour guider leurs choix de matériaux et de conditions de fonctionnement.

En utilisant une nouvelle technique pour contrôler et détecter les températures à la surface d'un liquide en évaporation, les chercheurs ont pu identifier un ensemble de caractéristiques universelles impliquant le temps, changements de pression et de température qui déterminent les détails du processus d'évaporation. Dans le processus, ils ont découvert que le facteur clé déterminant la vitesse à laquelle le liquide pouvait s'évaporer n'était pas la différence de température entre la surface et le liquide, mais plutôt la différence de pression entre la surface du liquide et la vapeur ambiante.

La "question assez simple" de savoir comment un liquide s'évapore à une température et une pression données, est restée sans réponse malgré de nombreuses décennies d'études, dit Pawel Keblinski, professeur et chef du Département de science et d'ingénierie des matériaux à l'Institut polytechnique Rensselaer (RPI), qui n'a pas participé à ce travail. "Alors que les théoriciens ont spéculé pendant plus d'un siècle, l'expérience a été de peu d'aide, car voir l'interface liquide-vapeur s'évaporant et connaître la température et la pression à proximité des interfaces est extrêmement difficile, " il dit.

Ce nouvel ouvrage, Keblinski dit, « nous rapproche de la vérité ». Avec d'autres nouvelles techniques d'observation développées par d'autres, les nouvelles connaissances "nous mettront sur la voie pour enfin quantifier le processus d'évaporation après un siècle d'efforts, " il dit.

Le succès des chercheurs était en partie le résultat de l'élimination d'autres facteurs qui compliquent l'analyse. Par exemple, l'évaporation du liquide dans l'air est fortement affectée par les propriétés isolantes de l'air lui-même, ainsi, pour ces expériences, le processus a été observé dans une chambre avec uniquement le liquide et la vapeur présents, isolé de l'air ambiant. Puis, afin de sonder les effets juste à la frontière entre le liquide et la vapeur, les chercheurs ont utilisé une membrane très fine criblée de petits pores pour confiner l'eau, réchauffer, et mesurer sa température.

Cette membrane, seulement 200 nanomètres (milliardièmes de mètre) d'épaisseur, en nitrure de silicium et recouvert d'or, transporte l'eau à travers ses pores par capillarité, et est chauffé électriquement pour faire évaporer l'eau. Puis, "Nous utilisons également cette membrane comme capteur, capter la température de la surface d'évaporation de manière précise et non invasive, " dit Lu.

Le revêtement doré de la membrane est crucial, il ajoute. La résistance électrique de l'or varie directement en fonction de la température, donc en calibrant soigneusement le système avant l'expérience, ils sont capables d'obtenir une lecture directe de la température au point exact où se produit l'évaporation, à chaque instant, simplement en lisant la résistance de la membrane.

Les données qu'ils ont recueillies "suggèrent que la force motrice réelle ou le potentiel de conduite dans ce processus n'est pas la différence de température, mais en fait la différence de pression, " dit Wang. " C'est ce qui rend tout maintenant aligné sur cette très belle courbe, qui correspond bien à ce que la théorie prédit, " elle dit.

Bien que cela puisse sembler simple en principe, développer réellement la membrane nécessaire avec ses pores de 100 nanomètres de large, qui sont réalisés à l'aide d'un procédé appelé lithographie interférentielle, et faire fonctionner tout le système correctement a pris deux ans de dur labeur, elle dit.

Globalement, les résultats jusqu'à présent "sont cohérents avec ce que la théorie prédit, " Lu dit, mais il est toujours important d'avoir cette confirmation. "Alors que les théories ont prédit des choses, il n'y a eu aucune preuve expérimentale que les théories sont correctes, " ajoute Wang.

Les nouveaux résultats fournissent également des conseils aux ingénieurs concevant de nouveaux systèmes basés sur l'évaporation, renseigner à la fois sur la sélection des meilleurs fluides de travail pour une situation donnée, ainsi que les conditions de pression et d'évacuation de l'air ambiant du système. "En utilisant ce système comme ligne directrice, vous pouvez en quelque sorte optimiser les conditions de travail pour certains types d'applications, " dit Lu.

Cette équipe "a fait une série d'expériences élégantes conçues pour confirmer les prédictions théoriques, " dit Joël Plawsky, professeur de génie chimique et biologique à

RPI, qui n'a pas participé à ce travail. "L'appareil était unique et méticuleusement difficile à fabriquer et à utiliser. Les données étaient exceptionnelles dans leur qualité et leurs détails. Chaque fois que l'on peut réduire une grande quantité de données en développant une formulation sans dimension, " C'est, un qui s'applique aussi bien dans une grande variété de conditions, « qui représente une avancée majeure pour l'ingénierie, " il dit.

Plawsly ajoute, « Ce travail soulève de nombreuses questions sur le comportement de différents fluides et de mélanges de fluides. On peut imaginer de nombreuses années de travail de suivi. »

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.