De nombreux processus différents, y compris l'ébullition, cristallisation, et le fractionnement de l'eau, sont régies par la distribution des sites de nucléation qui se forment sur les surfaces. Les nouvelles découvertes s'appliquent à tous et peuvent être utilisées pour prédire les propriétés à grande échelle des systèmes, des centrales électriques aux installations de dessalement en passant par les usines de fabrication. Crédits :Avec l'aimable autorisation des chercheurs
La nucléation est un phénomène omniprésent qui régit la formation à la fois de gouttelettes et de bulles dans les systèmes utilisés pour la condensation, dessalement, fractionnement de l'eau, croissance cristalline, et de nombreux autres processus industriels importants. Maintenant, pour la première fois, une nouvelle technique de microscopie développée au MIT et ailleurs permet d'observer le processus directement en détail, ce qui pourrait faciliter la conception de surfaces plus efficaces pour une variété de ces processus.
L'innovation utilise un équipement de microscope électronique à balayage conventionnel, mais ajoute une nouvelle technique de traitement qui peut augmenter la sensibilité globale jusqu'à dix fois et améliore également le contraste et la résolution. En utilisant cette approche, les chercheurs ont pu observer directement la distribution spatiale des sites de nucléation sur une surface et suivre son évolution dans le temps. L'équipe a ensuite utilisé ces informations pour dériver une description mathématique précise du processus et des variables qui le contrôlent.
La nouvelle technique pourrait potentiellement être appliquée à une grande variété de domaines de recherche. Il est décrit aujourd'hui dans la revue Rapports cellulaires Sciences physiques , dans un article de Lenan Zhang, étudiant diplômé du MIT; chercheur invité Ryuichi Iwata; professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang; et neuf autres au MIT, l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, et l'Université Jiao Tong de Shanghai.
"Une opportunité vraiment puissante"
Lorsque les gouttelettes se condensent sur une surface plane, comme sur les condenseurs qui recyclent la vapeur des centrales électriques en eau, chaque gouttelette nécessite un site de nucléation initial, à partir de laquelle il se construit. La formation de ces sites de nucléation est aléatoire et imprévisible, la conception de tels systèmes repose donc sur des estimations statistiques de leur distribution. Selon les nouvelles découvertes, cependant, la méthode statistique utilisée pour ces calculs depuis des décennies est incorrecte, et un autre doit être utilisé à la place.
Les images haute résolution du processus de nucléation, ainsi que des modèles mathématiques développés par l'équipe, permettent de décrire la répartition des sites de nucléation en termes strictement quantitatifs. "La raison pour laquelle c'est si important, " Wang dit, « est parce que la nucléation se produit à peu près dans tout, dans de nombreux processus physiques, qu'il s'agisse de matériaux et de systèmes naturels ou artificiels. À cause de ça, Je pense que comprendre cela de manière plus fondamentale est une opportunité vraiment puissante."
Le processus qu'ils ont utilisé, appelée microscopie électronique à balayage environnementale à phase améliorée (p-ESEM), permet de scruter à travers le brouillard électronique causé par un nuage d'électrons diffusés par des molécules de gaz en mouvement sur la surface à imager. L'ESEM conventionnel "peut imager un très large échantillon de matériau, ce qui est tout à fait unique par rapport à un microscope électronique typique, mais la résolution est mauvaise" à cause de cette diffusion d'électrons, qui génère du bruit aléatoire, dit Zhang.
Profitant du fait que les électrons peuvent être décrits comme des particules ou des ondes, les chercheurs ont trouvé un moyen d'utiliser la phase des ondes électroniques, et les retards dans cette phase générés lorsque l'électron frappe quelque chose. Cette information de retard de phase est extrêmement sensible aux moindres perturbations, jusqu'à l'échelle nanométrique, Zhang dit, et la technique qu'ils ont développée permet d'utiliser ces relations de phase électron-onde pour reconstruire une image plus détaillée.
Ces deux images au microscope montrent la nucléation des gouttelettes d'eau. À gauche, imagé par microscopie électronique à balayage environnementale conventionnelle (ESEM) A droite, en utilisant la nouvelle méthode de phase améliorée (p-ESEM), ce qui a amélioré le contraste de plus de six fois. Crédit :Avec l'aimable autorisation des chercheurs
En utilisant cette méthode, il dit, « nous pouvons obtenir une bien meilleure amélioration du contraste de l'imagerie, et puis on est capable de reconstruire ou d'imager directement les électrons à quelques microns voire à une échelle submicronique. Cela nous permet de voir le processus de nucléation et la distribution du grand nombre de sites de nucléation."
L'avancée a permis à l'équipe d'étudier des problèmes fondamentaux concernant le processus de nucléation, comme la différence entre la densité du site et la distance la plus proche entre les sites. Il s'avère que les estimations de cette relation qui ont été utilisées par les ingénieurs pendant plus d'un demi-siècle sont incorrectes. Ils sont basés sur une relation appelée distribution de Poisson, à la fois pour la densité de site et la fonction de plus proche voisin, alors qu'en fait le nouveau travail montre qu'une relation différente, la distribution de Rayleigh, décrit plus précisément la relation de plus proche voisin.
Zhang explique que c'est important, car "la nucléation est un comportement très microscopique, mais la distribution des sites de nucléation à cette échelle microscopique détermine en fait le comportement macroscopique du système." Par exemple, en condensation et en ébullition, il détermine le coefficient de transfert thermique, et en faisant bouillir même le flux de chaleur critique, " la mesure qui détermine à quel point un système d'eau bouillante peut chauffer avant de déclencher une panne catastrophique.
Les résultats concernent également bien plus que la simple condensation d'eau. "Notre découverte sur la distribution des sites de nucléation est universelle, " dit Iwata. " Il peut être appliqué à une variété de systèmes impliquant un processus de nucléation, comme le fractionnement de l'eau et la croissance des matériaux." Par exemple, il dit, dans les systèmes de fractionnement de l'eau, qui peut être utilisé pour produire du carburant sous forme d'hydrogène à partir d'électricité à partir de sources renouvelables. La dynamique de formation des bulles dans de tels systèmes est la clé de leur performance globale, et est déterminé en grande partie par le processus de nucléation.
Iwata ajoute que « on dirait que la division de l'eau et la condensation sont des phénomènes très différents, mais nous avons trouvé parmi eux une loi universelle. Nous sommes donc tellement excités à ce sujet."
Applications diverses
De nombreux autres phénomènes reposent également sur la nucléation, y compris des processus tels que la croissance de films cristallins, y compris le diamant, à travers les surfaces. De tels processus sont de plus en plus importants dans une grande variété d'applications de haute technologie.
En plus de la nucléation, la nouvelle technique p-ESEM développée par l'équipe peut également être utilisée pour sonder une variété de processus physiques différents, disent les chercheurs. Zhang dit qu'il pourrait également être appliqué aux "processus électrochimiques, physique des polymères, et biomatériaux, car tous ces types de matériaux sont largement étudiés à l'aide de l'ESEM classique. Encore, en utilisant le p-ESEM, nous pouvons certainement obtenir de bien meilleures performances grâce à la haute sensibilité intrinsèque" de ce système.
Le système p-ESEM, Zhang dit, en améliorant le contraste et la sensibilité, peut améliorer jusqu'à 10 fois l'intensité du signal par rapport au bruit de fond.
