La proprietà dell'acqua che consente a un insetto di sfiorare la superficie di uno stagno o di mantenere una graffetta posizionata con cura galleggiante sulla parte superiore di una tazza d'acqua è nota come tensione superficiale. Comprendere la tensione superficiale dell'acqua è importante in un'ampia gamma di applicazioni, tra cui il trasferimento di calore, desalinizzazione, e oceanografia. Sebbene si sappia molto sulla tensione superficiale dell'acqua dolce, si sapeva molto poco della tensione superficiale dell'acqua di mare, fino a poco tempo fa.

Nel 2012, John Lienhard, l'Abdul Latif Jameel Professore di ingegneria idraulica e meccanica, e l'allora laureato Kishor Nayar SM '14, dottorato di ricerca '19 ha avviato un progetto di ricerca per capire come la tensione superficiale dell'acqua di mare cambia con la temperatura e la salinità. Due anni dopo, hanno pubblicato i loro risultati nel Journal of Physical and Chemical Reference Data. Questa primavera, l'Associazione internazionale per le proprietà dell'acqua e del vapore (IAPWS) ha annunciato di aver considerato il lavoro di Lienhard e Nayar una linea guida internazionale.

Secondo l'IAPWS, La ricerca di Lienhard e Nayar "presenta una correlazione per la tensione superficiale dell'acqua di mare in funzione della temperatura e della salinità". L'annuncio della linea guida ha segnato il completamento di otto anni di lavoro con decine di collaboratori del MIT e di tutto il mondo.

"Questo progetto è nato dal mio lavoro nella desalinizzazione. Nella desalinizzazione, è necessario conoscere la tensione superficiale dell'acqua perché influisce sul modo in cui l'acqua viaggia attraverso i pori di una membrana, " spiega Lienhard, uno dei massimi esperti mondiali nella desalinizzazione, il processo mediante il quale l'acqua salata viene trattata per diventare acqua dolce potabile.

Lienhard ha suggerito a Nayar di misurare la tensione superficiale dell'acqua di mare e confrontare i risultati con la tensione superficiale dell'acqua pura. Come avrebbero presto scoperto, ottenere dati affidabili dall'acqua salata si rivelerebbe incredibilmente difficile.

"Inizialmente pensavamo che questi esperimenti sarebbero stati piuttosto semplici da fare, che avremmo finito in un mese o due. Ma quando abbiamo iniziato a esaminarlo, ci siamo resi conto che era un problema molto più difficile da affrontare, "dice Lienhard.

Fin dall'inizio, Nayar sperava di ottenere dati sufficientemente accurati per informare uno standard di proprietà. Ciò richiederebbe che l'incertezza nelle misurazioni sia inferiore all'1%.

"Quando si parla di misurazioni di proprietà, devi essere il più preciso possibile, " spiega Nayar. Il primo ostacolo che ha dovuto superare per raggiungere questo livello di precisione è stato trovare la strumentazione appropriata per effettuare misurazioni affidabili, cosa che si è rivelata non facile.

Misurazione della tensione superficiale

Per misurare la tensione superficiale dell'acqua, Lienhard e Nayar hanno collaborato con Gareth McKinley, professore di ingegneria meccanica, e poi laureata Divya Panchanathan SM '15, dottorato di ricerca '18. Hanno iniziato con un dispositivo noto come piatto di Wilhelmy, che trova la tensione superficiale abbassando una piccola lastra di platino in un bicchiere d'acqua e poi misurando la forza che l'acqua esercita quando la lastra viene sollevata.

Nayar e Panchanathan hanno lottato per misurare la tensione superficiale dell'acqua salata a temperature più elevate. "Il problema che continuavamo a riscontrare era che quando la temperatura superava i 50 gradi Celsius, l'acqua sul bicchiere è evaporata più velocemente di quanto potessimo fare le misurazioni, "Dice Nayar.

Nessuno strumento avrebbe permesso loro di ottenere i dati di cui avevano bisogno, quindi Nayar si è rivolta al MIT Hobby Shop. Usando un tornio, ha costruito un coperchio speciale per il becher per trattenere il vapore.

"Il piccolo coperchio costruito da Kishor aveva porte accuratamente tagliate che gli permettevano di inserire una sonda di tensione superficiale attraverso il coperchio senza far uscire il vapore acqueo, " spiega Lienhard.

Dopo aver compiuto progressi nell'ottenimento dei dati, la squadra ha subito una pesante battuta d'arresto. Hanno scoperto che scaglie di sale appena visibili, che si sono formati nel loro bicchiere di prova nel tempo, aveva introdotto errori nelle loro misurazioni. Per ottenere i valori più accurati, hanno deciso di utilizzare bicchieri nuovi e freschi per ogni singolo test. Di conseguenza, Nayar ha dovuto ripetere nove mesi di lavoro appena prima della scadenza della tesi di laurea. Fortunatamente, poiché il problema principale è stato identificato e risolto, gli esperimenti potrebbero essere ripetuti molto più velocemente.

Nayar è stato in grado di rifare gli esperimenti in tempo. Il team ha misurato la tensione superficiale nell'acqua di mare che va dalla temperatura ambiente a 90 gradi Celsius e i livelli di salinità che vanno dall'acqua pura a quattro volte la salinità dell'acqua dell'oceano. Hanno scoperto che la tensione superficiale diminuisce di circa il 20% quando l'acqua passa dalla temperatura ambiente all'ebollizione. Nel frattempo, all'aumentare della salinità, aumenta anche la tensione superficiale. Il team ha svelato il mistero della tensione superficiale dell'acqua di mare.

"Era letteralmente la cosa tecnicamente più impegnativa che avessi mai fatto, "Ricorda Nayar.

I loro dati avevano una deviazione media dello 0,19%, con una deviazione massima di appena lo 0,6 percento, ben entro il limite dell'1 percento necessario per una linea guida.

Dalla tesi di laurea alla linea guida internazionale

Tre anni dopo aver completato la sua tesi di laurea, Nayar, da allora un dottorato di ricerca. alunno, partecipato a un meeting IAPWS a Kyoto, Giappone. L'IAPWS è un'organizzazione internazionale senza scopo di lucro responsabile del rilascio di standard sulle proprietà dell'acqua e del vapore. Là, Nayar ha incontrato i leader nel campo della tensione superficiale dell'acqua che avevano lottato con gli stessi problemi che Nayar aveva affrontato. Questi contatti lo introdussero alla lunga, rigoroso processo di dichiarazione di qualcosa come linea guida internazionale.

L'IAPWS aveva precedentemente pubblicato degli standard sulle proprietà del vapore sviluppati dal compianto Joseph Henry Keenan, professore e un tempo capo dipartimento di ingegneria meccanica al MIT. Per unirti a Keenan come autori di uno standard IAPWS, i dati del team dovevano essere verificati da misurazioni condotte da altri ricercatori. Dopo tre anni di lavoro con l'IAPWS, il lavoro del team è stato infine adottato come linea guida internazionale.

Per Nayar, che si è laureato con il suo dottorato di ricerca. l'anno scorso ed è ora un ingegnere senior di acque industriali e acque reflue presso la società di consulenza ingegneristica GHD, l'annuncio della linea guida ha valso la pena per i lunghi mesi di raccolta dei dati. "Sembrava che qualcosa si stesse completando, "ricorda.

I risultati che Nayar, Panchanathan, McKinley, e Lienhard riportati nel 2014 sono ampiamente applicabili a una serie di settori, secondo Lienhard. "È certamente rilevante per il lavoro di desalinizzazione, ma anche per problemi oceanografici come la dinamica delle onde capillari, " lui spiega.

Aiuta anche a spiegare come piccole cose, come un insetto o una graffetta, possono galleggiare sull'acqua di mare.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.