Nucleatie is een alomtegenwoordig fenomeen dat de vorming van zowel druppeltjes als bellen regelt in systemen die worden gebruikt voor condensatie, ontzilting, water splijten, kristalgroei, en vele andere belangrijke industriële processen. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een nieuwe microscopietechniek ontwikkeld aan het MIT en elders maakt het mogelijk om het proces direct in detail te observeren, die het ontwerp van verbeterde, efficiëntere oppervlakken voor een verscheidenheid van dergelijke processen.

De innovatie maakt gebruik van conventionele scanning-elektronenmicroscoopapparatuur, maar voegt een nieuwe verwerkingstechniek toe die de algehele gevoeligheid kan vertienvoudigen en ook het contrast en de resolutie verbetert. Met behulp van deze aanpak, de onderzoekers waren in staat om de ruimtelijke verdeling van nucleatieplaatsen op een oppervlak direct te observeren en te volgen hoe dat in de loop van de tijd veranderde. Het team gebruikte deze informatie vervolgens om een ​​nauwkeurige wiskundige beschrijving af te leiden van het proces en de variabelen die het beheersen.

De nieuwe techniek kan mogelijk worden toegepast op een breed scala aan onderzoeksgebieden. Het wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Celrapporten Fysische Wetenschap , in een paper van MIT-afgestudeerde student Lenan Zhang; gastonderzoeker Ryuichi Iwata; hoogleraar werktuigbouwkunde en afdelingshoofd Evelyn Wang; en negen anderen aan het MIT, de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, en Shanghai Jiao Tong-universiteit.

"Een hele krachtige kans"

Wanneer druppels condenseren op een plat oppervlak, zoals op de condensors die de stoom in elektriciteitscentrales weer in water omzetten, elke druppel heeft een initiële kiemplaats nodig, waaruit het opgebouwd is. De vorming van die kiemplaatsen is willekeurig en onvoorspelbaar, dus het ontwerp van dergelijke systemen is gebaseerd op statistische schattingen van hun distributie. Volgens de nieuwe bevindingen echter, de statistische methode die al tientallen jaren voor deze berekeningen wordt gebruikt, is onjuist, en in plaats daarvan moet een andere worden gebruikt.

De hoge resolutie beelden van het kiemvormingsproces, samen met wiskundige modellen die het team ontwikkelde, maken het mogelijk om de verspreiding van nucleatieplaatsen in strikt kwantitatieve termen te beschrijven. "De reden waarom dit zo belangrijk is, "Wan zegt, "is omdat kiemvorming vrijwel overal in voorkomt, in veel fysieke processen, of het nu natuurlijk is of in geconstrueerde materialen en systemen. Daarom, Ik denk dat het een heel krachtige kans is om dit meer fundamenteel te begrijpen."

Het proces dat ze gebruikten, faseversterkte omgevingsscanning-elektronenmicroscopie (p-ESEM) genoemd, maakt het mogelijk om door de elektronische mist te kijken die wordt veroorzaakt door een wolk van elektronen die verstrooid wordt door bewegende gasmoleculen over het oppervlak dat wordt afgebeeld. Conventionele ESEM "kan een zeer brede steekproef van materiaal afbeelden, wat zeer uniek is in vergelijking met een typische elektronenmicroscoop, maar de resolutie is slecht" vanwege deze elektronenverstrooiing, die willekeurige ruis genereert, zegt Zhang.

Profiteren van het feit dat elektronen kunnen worden beschreven als deeltjes of golven, vonden de onderzoekers een manier om de fase van de elektronengolven te gebruiken, en de vertragingen in die fase die worden gegenereerd wanneer het elektron iets raakt. Deze fasevertragingsinformatie is extreem gevoelig voor de minste verstoringen, tot op nanometerschaal, Zhang zegt, en de techniek die ze ontwikkelden maakt het mogelijk om deze elektron-golffaserelaties te gebruiken om een ​​meer gedetailleerd beeld te reconstrueren.

Door deze methode te gebruiken, hij zegt, "we kunnen een veel betere verbetering krijgen voor het beeldcontrast, en dan zijn we in staat om de elektronen te reconstrueren of direct af te beelden op een schaal van enkele microns of zelfs submicrons. Dit stelt ons in staat om het kiemvormingsproces en de verspreiding van het enorme aantal kiemlocaties te zien."

De vooruitgang stelde het team in staat fundamentele problemen over het kiemvormingsproces te bestuderen, zoals het verschil tussen de locatiedichtheid en de kortste afstand tussen locaties. Het blijkt dat schattingen van die relatie die al meer dan een halve eeuw door ingenieurs worden gebruikt, onjuist zijn. Ze zijn gebaseerd op een relatie die een Poisson-verdeling wordt genoemd, voor zowel de locatiedichtheid als de naaste-buurfunctie, terwijl het nieuwe werk in feite laat zien dat een andere relatie, de Rayleigh-distributie, nauwkeuriger beschrijft de naaste-buurrelatie.

Zhang legt uit dat dit belangrijk is, omdat "kiemvorming een zeer microscopisch gedrag is, maar de verdeling van nucleatieplaatsen op deze microscopische schaal bepaalt in feite het macroscopische gedrag van het systeem." in condensatie en koken, het bepaalt de warmteoverdrachtscoëfficiënt, en bij het koken zelfs de kritische warmtestroom, " de maatregel die bepaalt hoe heet een kokend watersysteem kan worden voordat het een catastrofale storing veroorzaakt.

De bevindingen hebben ook betrekking op veel meer dan alleen condensatie van water. "Onze bevinding over de verspreiding van de nucleatieplaats is universeel, " zegt Iwata. "Het kan worden toegepast op een verscheidenheid aan systemen waarbij sprake is van een kiemvormingsproces, zoals watersplitsing en materiaalgroei." hij zegt, in watersplitsingssystemen, waarmee brandstof in de vorm van waterstof kan worden opgewekt uit elektriciteit uit hernieuwbare bronnen. De dynamiek van de vorming van bellen in dergelijke systemen is de sleutel tot hun algehele prestaties, en wordt voor een groot deel bepaald door het kiemvormingsproces.

Iwata voegt eraan toe dat "het klinkt alsof watersplitsing en condensatie heel verschillende fenomenen zijn, maar we vonden er een universele wet onder. Dus daar zijn we zo enthousiast over."

Diverse toepassingen

Veel andere verschijnselen zijn ook afhankelijk van kiemvorming, met inbegrip van processen zoals de groei van kristallijne films, inclusief diamant, over oppervlakken. Dergelijke processen worden steeds belangrijker in een breed scala aan hightech toepassingen.

Naast nucleatie, de nieuwe p-ESEM-techniek die het team heeft ontwikkeld, kan ook worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan verschillende fysieke processen te onderzoeken, zeggen de onderzoekers. Zhang zegt dat het ook kan worden toegepast op "elektrochemische processen, polymeer fysica, en biomaterialen, omdat al dit soort materiaal op grote schaal wordt bestudeerd met behulp van de conventionele ESEM. Nog, met behulp van de p-ESEM, we kunnen zeker een veel betere prestatie krijgen vanwege de intrinsieke hoge gevoeligheid van dit systeem.

Het p-ESEM-systeem, Zhang zegt, door het contrast en de gevoeligheid te verbeteren, kan de intensiteit van het signaal ten opzichte van achtergrondgeluid tot 10 keer verbeteren.