Het is een proces dat zo fundamenteel is voor het dagelijks leven - in alles van je koffiezetapparaat in de ochtend tot de enorme energiecentrale die zijn elektriciteit levert - dat het vaak als vanzelfsprekend wordt beschouwd:de manier waarop een vloeistof kookt van een heet oppervlak.

Toch verrassend, dit basisproces heeft nu pas, Voor de eerste keer, in detail geanalyseerd op moleculair niveau, in een nieuwe analyse door MIT-postdoc Zhengmao Lu, hoogleraar werktuigbouwkunde en afdelingshoofd Evelyn Wang, en drie anderen aan het MIT en de Universiteit van Tokyo. De studie verschijnt in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

"Het blijkt dat voor het proces van faseverandering van vloeistof naar damp, een fundamenteel begrip daarvan is nog relatief beperkt, Wang legt uit. "Hoewel er veel theorieën zijn ontwikkeld, er is eigenlijk geen experimenteel bewijs geweest van de fundamentele grenzen van de verdampingsfysica."

Het is een belangrijk proces om te begrijpen omdat het zo alomtegenwoordig is. "Verdamping komt veel voor in allerlei verschillende soorten systemen zoals stoomopwekking voor elektriciteitscentrales, technologieën voor waterontzilting, membraandestillatie, en thermisch beheer, zoals warmtepijpen, bijvoorbeeld, ", zegt Wang. Het optimaliseren van de efficiëntie van dergelijke processen vereist een duidelijk begrip van de dynamiek die speelt, maar in veel gevallen vertrouwen ingenieurs op benaderingen of empirische waarnemingen om hun materiaalkeuzes en bedrijfsomstandigheden te sturen.

Door een nieuwe techniek te gebruiken om zowel de temperatuur aan het oppervlak van een verdampende vloeistof te controleren als te detecteren, konden de onderzoekers een reeks universele kenmerken identificeren met betrekking tot tijd, druk- en temperatuurveranderingen die de details van het verdampingsproces bepalen. In het proces, ze ontdekten dat de belangrijkste factor die bepaalt hoe snel de vloeistof kan verdampen niet het temperatuurverschil tussen het oppervlak en de vloeistof was, maar eerder het verschil in druk tussen het vloeistofoppervlak en de omgevingsdamp.

De "vrij simpele vraag" hoe een vloeistof verdampt bij een bepaalde temperatuur en druk, onbeantwoord gebleven ondanks vele decennia van studie, zegt Pawel Keblinski, professor en hoofd van de afdeling Materials Science and Engineering aan het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), die niet bij dit werk betrokken was. "Terwijl theoretici meer dan een eeuw speculeerden, experiment hielp weinig, aangezien het zien van de verdampende vloeistof-damp-interface en het kennen van de temperatuur en druk in de buurt van de interfaces buitengewoon uitdagend is, " hij zegt.

Dit nieuwe werk, Keblinski zegt, "brengt ons dichter bij de waarheid." Samen met andere nieuwe observatietechnieken die door anderen zijn ontwikkeld, de nieuwe inzichten "zetten ons op het pad om het verdampingsproces eindelijk te kwantificeren na een eeuw van inspanningen, " hij zegt.

Het succes van de onderzoekers was deels het resultaat van het elimineren van andere factoren die de analyse bemoeilijken. Bijvoorbeeld, verdamping van vloeistof in de lucht wordt sterk beïnvloed door de isolerende eigenschappen van de lucht zelf, dus voor deze experimenten werd het proces waargenomen in een kamer met alleen de vloeistof en damp aanwezig, geïsoleerd van de omringende lucht. Vervolgens, om de effecten precies op de grens tussen de vloeistof en de damp te onderzoeken, de onderzoekers gebruikten een heel dun membraan vol kleine poriën om het water op te sluiten, Maak het warm, en meet de temperatuur.

Dat membraan, slechts 200 nanometer (miljardste van een meter) dik, gemaakt van siliciumnitride en bedekt met goud, voert water door zijn poriën door capillaire werking, en wordt elektrisch verwarmd om het water te laten verdampen. Vervolgens, "we gebruiken dat membraan ook als sensor, om de temperatuur van het verdampende oppervlak op een nauwkeurige en niet-invasieve manier te voelen, ' zegt Lu.

De gouden coating van het membraan is cruciaal, hij voegt toe. De elektrische weerstand van het goud varieert direct als functie van de temperatuur, dus door het systeem vóór het experiment zorgvuldig te kalibreren, ze zijn in staat om de temperatuur direct af te lezen op het exacte punt waar verdamping plaatsvindt, van moment tot moment, gewoon door de weerstand van het membraan af te lezen.

De gegevens die ze verzamelden "suggereren dat de werkelijke drijvende kracht of drijvende kracht in dit proces niet het temperatuurverschil is, maar eigenlijk het drukverschil, ", zegt Wang. "Dat is wat ervoor zorgt dat alles nu is uitgelijnd met deze echt mooie curve, die goed overeenkomt met wat de theorie zou voorspellen, " ze zegt.

Hoewel het in principe misschien eenvoudig klinkt, daadwerkelijk het noodzakelijke membraan ontwikkelen met zijn 100 nanometer brede poriën, die zijn gemaakt met behulp van een methode die interferentielithografie wordt genoemd, en om het hele systeem goed te laten werken, kostte het twee jaar hard werken, ze zegt.

Algemeen, de bevindingen tot nu toe "zijn consistent met wat de theorie voorspelt, "Lou zegt, maar het is nog steeds belangrijk om die bevestiging te hebben. "Terwijl theorieën dingen hebben voorspeld, er is geen experimenteel bewijs dat de theorieën correct zijn, ’ voegt Wang toe.

De nieuwe bevindingen bieden ook richtlijnen voor ingenieurs die nieuwe op verdamping gebaseerde systemen ontwerpen, het verstrekken van informatie over zowel de selectie van de beste werkvloeistoffen voor een bepaalde situatie, evenals de omstandigheden van druk en verwijdering van omgevingslucht uit het systeem. "Met dit systeem als richtlijn kun je de werkomstandigheden voor bepaalde soorten toepassingen optimaliseren, ' zegt Lu.

Dit team "deed een reeks elegante experimenten om theoretische voorspellingen te bevestigen, " zegt Joel Plawsky, hoogleraar chemische en biologische technologie bij

RPI, die niet bij dit werk betrokken was. "Het apparaat was uniek en uiterst moeilijk te fabriceren en te bedienen. De gegevens waren uitzonderlijk in kwaliteit en detail. Elke keer dat men een grote hoeveelheid gegevens kan instorten door een dimensieloze formulering te ontwikkelen, " dat is, een die even goed van toepassing is onder een breed scala van omstandigheden, "dat betekent een grote vooruitgang voor engineering, " hij zegt.

Plawsly voegt eraan toe, "Er zijn veel vragen die dit werk oproept over het gedrag van verschillende vloeistoffen en vloeistofmengsels. Men kan zich vele jaren van vervolgwerk voorstellen."

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.