Considérez la surface d'eau la plus proche :un verre à moitié plein sur votre bureau, une flaque d'eau devant ta fenêtre, ou un lac à travers la ville. Toutes ces surfaces représentent des interfaces liquide-vapeur, où le liquide rencontre l'air. Des molécules de vapeur d'eau entrent constamment en collision avec ces surfaces liquides :certaines traversent la surface et se condensent, tandis que d'autres rebondissent simplement.

La probabilité qu'une molécule de vapeur rebondisse, ou réfléchir, hors d'une surface liquide est une propriété fondamentale de l'eau, un peu comme son point d'ébullition. Et encore, au cours du siècle dernier, il y a eu peu d'accord sur la probabilité qu'une molécule d'eau rebondisse sur la surface du liquide.

"Quand une molécule de vapeur d'eau frappe une surface, passe-t-il immédiatement dans le liquide ? Ou est-ce qu'il se détache et frappe encore et encore, puis finalement entrer ?" dit Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique au MIT. "Il y a beaucoup de controverse, et il n'y a pas de moyen facile de mesurer cette propriété de base."

Connaître cette probabilité de rebond donnerait aux scientifiques une compréhension essentielle d'une variété d'applications impliquant l'écoulement de l'eau :le mouvement de l'eau à travers le sol, la formation de nuages ​​et de brouillard, et l'efficacité des dispositifs de filtration d'eau.

Cette dernière application a stimulé Karnik et ses collègues - Jongho Lee, un étudiant diplômé du MIT en génie mécanique, et Tahar Laoui, professeur à l'Université King Fahd du pétrole et des minéraux (KFUPM) en Arabie saoudite, pour étudier la probabilité de rebond de l'eau. Le groupe développe des membranes pour le dessalement de l'eau; le succès de cette technologie dépend, en partie, sur la capacité de la vapeur d'eau à traverser la membrane et à se condenser de l'autre côté sous forme d'eau purifiée.

En observant le transport de l'eau à travers des membranes avec des pores de différentes tailles, le groupe a mesuré la probabilité d'une molécule d'eau de se condenser ou de rebondir sur une surface liquide à l'échelle nanométrique. Les résultats, Publié dans Nature Nanotechnologie , pourrait aider à concevoir des membranes de dessalement plus efficaces, et peut également élargir la compréhension des scientifiques de l'écoulement de l'eau à l'échelle nanométrique.

"Partout où vous avez une surface liquide-vapeur, il va y avoir évaporation et condensation, " dit Karnik. " Cette probabilité est donc assez universelle, car il définit ce que font les molécules d'eau sur toutes ces surfaces."

Se mettre en travers du flux

L'un des moyens les plus simples d'éliminer le sel de l'eau consiste à faire bouillir et à évaporer l'eau, en la séparant des sels, puis en la condensant sous forme d'eau purifiée. Mais cette méthode est énergivore, nécessitant beaucoup de chaleur.

Le groupe de Karnik a développé une membrane de dessalement qui imite le processus d'ébullition, mais sans besoin de chaleur. La membrane ultra-fine contient des pores à l'échelle nanométrique qui, vu de côté, ressemblent à de petits tubes. La moitié de chaque tube est hydrophile, ou attirant l'eau, tandis que l'autre moitié est hydrophobe, ou hydrofuge.

Lorsque l'eau s'écoule du côté hydrophile vers le côté hydrophobe, il passe du liquide à la vapeur à l'interface liquide-vapeur, simuler la transition de l'eau pendant le processus d'ébullition. Les molécules de vapeur qui se déplacent vers la solution liquide à l'autre extrémité du nanopore peuvent soit s'y condenser, soit rebondir dessus. La membrane permet des débits d'eau plus élevés si plus de molécules se condensent, plutôt que de rebondir.

Concevoir une membrane de dessalement efficace nécessite de comprendre ce qui pourrait empêcher l'eau de s'y écouler. Dans le cas de la membrane des chercheurs, ils ont découvert que la résistance à l'écoulement de l'eau provenait de deux facteurs :la longueur des nanopores dans la membrane et la probabilité qu'une molécule rebondisse, plutôt que de se condenser.

Dans des expériences avec des membranes dont les nanopores variaient en longueur, l'équipe a observé qu'une plus grande longueur de pores était le principal facteur entravant l'écoulement de l'eau, c'est-à-dire plus la distance qu'une molécule doit parcourir est grande, moins il est probable qu'il traverse la membrane. Au fur et à mesure que les pores se raccourcissent, rapprocher les deux solutions liquides, cet effet s'atténue, et les molécules d'eau ont de meilleures chances de passer.

Mais à une certaine longueur, les chercheurs ont découvert que la résistance à l'écoulement de l'eau provient principalement de la probabilité de rebond d'une molécule. En d'autres termes, dans les pores très courts, le débit d'eau est limité par le risque que des molécules d'eau rebondissent sur la surface du liquide, plutôt que de traverser les nanopores. Lorsque les chercheurs ont quantifié cet effet, ils ont constaté que seulement 20 à 30 pour cent des molécules de vapeur d'eau frappant la surface du liquide se condensent réellement, avec la majorité rebondissant.

Un design sans rebond

Ils ont également découvert que la probabilité de rebond d'une molécule dépend de la température :64% des molécules rebondiront à 90 degrés Fahrenheit, tandis que 82 pour cent des molécules rebondiront à 140 degrés. Le groupe a relevé la probabilité de rebond de l'eau en fonction de la température, produire un graphique auquel, selon Karnik, les chercheurs peuvent se référer pour calculer des flux à l'échelle nanométrique dans de nombreux systèmes.

"Cette probabilité nous indique comment différentes structures de pores se comporteront en termes de flux, " dit Karnik. " Combien de temps avons-nous pour faire le pore et quels débits obtiendrons-nous ? Ce paramètre a un impact direct sur les considérations de conception de notre membrane de filtration."

Lee dit que connaître la probabilité de rebond de l'eau peut également aider à contrôler les niveaux d'humidité dans les piles à combustible.

"L'un des problèmes avec les piles à combustible à membrane échangeuse de protons est, après réaction de l'hydrogène et de l'oxygène, l'eau est générée. Mais si vous avez un mauvais contrôle du débit d'eau, vous inonderez la pile à combustible elle-même, " Lee dit. "Ce type de pile à combustible implique des membranes et des structures à l'échelle nanométrique. Si vous comprenez le comportement correct de la condensation ou de l'évaporation de l'eau à l'échelle nanométrique, vous pouvez contrôler l'humidité de la pile à combustible et maintenir de bonnes performances à tout moment."