De eigenschap van water waardoor een insect over het oppervlak van een vijver kan scheren of een zorgvuldig geplaatste paperclip op de bovenkant van een kopje water kan laten drijven, staat bekend als oppervlaktespanning. Het begrijpen van de oppervlaktespanning van water is belangrijk in een breed scala aan toepassingen, waaronder warmteoverdracht, ontzilting, en oceanografie. Hoewel er veel bekend is over de oppervlaktespanning van zoet water, Er was tot voor kort heel weinig bekend over de oppervlaktespanning van zeewater.

In 2012, John Lienhard, de Abdul Latif Jameel hoogleraar Water en Werktuigbouwkunde, en toen afgestudeerde student Kishor Nayar SM '14, doctoraat '19 begon aan een onderzoeksproject om te begrijpen hoe de oppervlaktespanning van zeewater verandert met temperatuur en zoutgehalte. Twee jaar later, ze publiceerden hun bevindingen in het Journal of Physical and Chemical Reference Data. Deze lente, de International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) kondigde aan dat zij het werk van Lienhard en Nayar als een internationale richtlijn beschouwden.

Volgens de IAPWS, Het onderzoek van Lienhard en Nayar "geeft een correlatie aan voor de oppervlaktespanning van zeewater als functie van temperatuur en zoutgehalte." De aankondiging van de richtlijn markeerde de voltooiing van acht jaar werk met tientallen medewerkers van MIT en over de hele wereld.

"Dit project is voortgekomen uit mijn werk in ontzilting. In ontzilting, je moet weten over de oppervlaktespanning van water, want dat beïnvloedt hoe water door de poriën in een membraan gaat, " legt Lienhard uit, een wereldleider op het gebied van ontzilting - het proces waarbij zout water wordt behandeld om drinkbaar zoet water te worden.

Lienhard stelde voor dat Nayar de oppervlaktespanning van zeewater zou meten en de resultaten zou vergelijken met de oppervlaktespanning van zuiver water. Zoals ze spoedig zouden ontdekken, het verkrijgen van betrouwbare gegevens uit zout water zou ongelooflijk moeilijk blijken te zijn.

"We hadden oorspronkelijk gedacht dat deze experimenten vrij eenvoudig zouden zijn, dat we over een maand of twee klaar zouden zijn. Maar toen we ernaar begonnen te kijken, we beseften dat het een veel moeilijker probleem was om aan te pakken, ' zegt Lienhard.

Vanaf het begin, Nayar hoopte voldoende nauwkeurige gegevens te krijgen om een ​​vastgoedstandaard te informeren. Hiervoor zou de onzekerheid in de metingen minder dan 1 procent moeten zijn.

"Als je het hebt over eigendomsmetingen, je moet zo nauwkeurig mogelijk zijn, " legt Nayar uit. De eerste hindernis die hij moest nemen om dit nauwkeurigheidsniveau te bereiken, was het vinden van de juiste instrumenten om betrouwbare metingen uit te voeren - iets dat niet eenvoudig bleek te zijn.

Oppervlaktespanning meten

Om de oppervlaktespanning van water te meten, Lienhard en Nayar werkten samen met Gareth McKinley, hoogleraar werktuigbouwkunde, en toen afgestudeerde student Divya Panchanathan SM '15, doctoraat '18. Ze begonnen met een apparaat dat bekend staat als een Wilhelmy-plaat, die de oppervlaktespanning vindt door een kleine platinaplaat in een beker water te laten zakken en vervolgens de kracht te meten die het water uitoefent wanneer de plaat omhoog wordt gebracht.

Nayar en Panchanathan hadden moeite om de oppervlaktespanning van zout water bij hogere temperaturen te meten. "Het probleem dat we bleven vinden was dat zodra de temperatuur boven de 50 graden Celsius was, het water op de beker verdampte sneller dan we konden meten, ' zegt Nayar.

Geen enkel instrument zou hen in staat stellen de gegevens te krijgen die ze nodig hadden - dus wendde Nayar zich tot de MIT Hobby Shop. Met behulp van een draaibank, hij bouwde een speciaal deksel voor de beker om de damp binnen te houden.

"Het kleine deksel dat Kishor had gebouwd, had nauwkeurig gesneden deuren waardoor hij een oppervlaktespanningssonde door het deksel kon steken zonder dat er waterdamp naar buiten kwam. ’ legt Lienhard uit.

Nadat er vooruitgang is geboekt bij het verkrijgen van gegevens, het team leed een enorme tegenslag. Ze ontdekten dat nauwelijks zichtbare zoutschubben, die zich in de loop van de tijd op hun testbeker vormden, hadden fouten in hun metingen geïntroduceerd. Om de meest nauwkeurige waarden te krijgen, ze besloten om voor elke test verse nieuwe bekers te gebruiken. Als resultaat, Nayar moest negen maanden werk overdoen vlak voordat zijn masterscriptie zou komen. Gelukkig, aangezien het belangrijkste probleem werd geïdentificeerd en opgelost, experimenten kunnen veel sneller worden herhaald.

Nayar kon de experimenten op tijd opnieuw doen. Het team heeft de oppervlaktespanning in zeewater gemeten, variërend van kamertemperatuur tot 90 graden Celsius en zoutgehaltes variërend van zuiver water tot vier keer het zoutgehalte van oceaanwater. Ze ontdekten dat de oppervlaktespanning met ongeveer 20 procent afneemt als water van kamertemperatuur naar koken gaat. In de tussentijd, naarmate het zoutgehalte toeneemt, Ook de oppervlaktespanning neemt toe. Het team had het mysterie van de oppervlaktespanning van het zeewater ontsluierd.

"Het was letterlijk het technisch meest uitdagende wat ik ooit had gedaan, " herinnert Nayar zich.

Hun gegevens hadden een gemiddelde afwijking van 0,19 procent, met een maximale afwijking van slechts 0,6 procent, ruim binnen de grens van 1 procent die nodig is voor een richtlijn.

Van masterscriptie tot internationale richtlijn

Drie jaar na het afronden van zijn masterscriptie, Nayar, tegen die tijd een Ph.D. student, deelgenomen aan een IAPWS-bijeenkomst in Kyoto, Japan. De IAPWS is een internationale non-profitorganisatie die verantwoordelijk is voor het vrijgeven van normen voor de eigenschappen van water en stoom. Daar, Nayar ontmoette leiders op het gebied van wateroppervlaktespanning die worstelden met dezelfde problemen waarmee Nayar te maken had gehad. Door deze contacten maakte hij kennis met de lange, rigoureus proces om iets tot een internationale richtlijn te verklaren.

De IAPWS had eerder normen gepubliceerd over de eigenschappen van stoom, ontwikkeld door wijlen Joseph Henry Keenan, hoogleraar en eenmalig afdelingshoofd werktuigbouwkunde aan het MIT. Om zich bij Keenan aan te sluiten als auteurs van een IAPWS-standaard, de gegevens van het team moesten worden geverifieerd door metingen door andere onderzoekers. Na drie jaar werken met de IAPWS, het werk van het team werd uiteindelijk als internationale richtlijn aangenomen.

voor Nayar, die afstudeerde met zijn Ph.D. vorig jaar en is nu senior industrieel water/afvalwater ingenieur bij ingenieursbureau GHD, de aankondiging van de richtlijn maakte de lange maanden voor het verzamelen van gegevens de moeite waard. "Het voelde alsof er iets werd voltooid, " herinnert hij zich.

De bevindingen die Nayar, Panchanathan, McKinley, en Lienhard waarover in 2014 werd gerapporteerd, zijn breed toepasbaar op een aantal industrieën, volgens Lienhard. "Het is zeker relevant voor ontziltingswerk, maar ook voor oceanografische problemen zoals capillaire golfdynamiek, " hij legt uit.

Het helpt ook om uit te leggen hoe kleine dingen, zoals een insect of een paperclip, op zeewater kunnen drijven.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.