È un processo così fondamentale nella vita di tutti i giorni, in tutto, dalla tua caffettiera mattutina all'enorme centrale elettrica che fornisce la sua elettricità, che spesso è dato per scontato:il modo in cui un liquido bolle via da una superficie calda.

Eppure sorprendentemente, questo processo di base ha solo ora, per la prima volta, stato analizzato in dettaglio a livello molecolare, in una nuova analisi del postdoc del MIT Zhengmao Lu, professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang, e altri tre al MIT e all'Università di Tokyo. Lo studio appare sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

"Si scopre che per il processo di cambiamento di fase liquido-vapore, una comprensione fondamentale di ciò è ancora relativamente limitata, " Wang spiega. "Mentre sono state sviluppate molte teorie, in realtà non ci sono state prove sperimentali dei limiti fondamentali della fisica dell'evaporazione."

È un processo importante da capire perché è così onnipresente. "L'evaporazione è prevalente in tutti i tipi di diversi tipi di sistemi come la generazione di vapore per le centrali elettriche, tecnologie di desalinizzazione dell'acqua, distillazione a membrana, e gestione termica, come tubi di calore, Per esempio, " dice Wang. Ottimizzare l'efficienza di tali processi richiede una chiara comprensione delle dinamiche in gioco, ma in molti casi gli ingegneri si affidano ad approssimazioni o osservazioni empiriche per guidare le loro scelte di materiali e condizioni operative.

Utilizzando una nuova tecnica per controllare e rilevare le temperature sulla superficie di un liquido in evaporazione, i ricercatori sono stati in grado di identificare un insieme di caratteristiche universali che coinvolgono il tempo, variazioni di pressione e temperatura che determinano i dettagli del processo di evaporazione. Nel processo, hanno scoperto che il fattore chiave che determina la velocità con cui il liquido potrebbe evaporare non era la differenza di temperatura tra la superficie e il liquido, ma piuttosto la differenza di pressione tra la superficie del liquido e il vapore ambientale.

La "domanda piuttosto semplice" di come un liquido evapora a una data temperatura e pressione, è rimasta senza risposta nonostante molti decenni di studio, dice Pawel Keblinski, professore e capo del dipartimento di scienza e ingegneria dei materiali presso il Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), chi non era coinvolto in questo lavoro. "Mentre i teorici hanno speculato per oltre un secolo, l'esperimento è stato di scarso aiuto, poiché vedere l'interfaccia liquido-vapore in evaporazione e conoscere la temperatura e la pressione vicino alle interfacce è estremamente impegnativo, " lui dice.

Questo nuovo lavoro, Keblinski dice, "ci avvicina alla verità". Insieme ad altre nuove tecniche di osservazione sviluppate da altri, le nuove intuizioni "ci metteranno sulla strada per quantificare finalmente il processo di evaporazione dopo un secolo di sforzi, " lui dice.

Il successo dei ricercatori è stato in parte il risultato dell'eliminazione di altri fattori che complicano l'analisi. Per esempio, l'evaporazione del liquido nell'aria è fortemente influenzata dalle proprietà isolanti dell'aria stessa, quindi per questi esperimenti il ​​processo è stato osservato in una camera con solo il liquido e il vapore presenti, isolato dall'aria circostante. Quindi, per sondare gli effetti proprio al confine tra il liquido e il vapore, i ricercatori hanno utilizzato una membrana molto sottile crivellata di piccoli pori per confinare l'acqua, scaldalo, e misurare la sua temperatura.

quella membrana, appena 200 nanometri (miliardesimi di metro) di spessore, in nitruro di silicio e rivestito d'oro, trasporta l'acqua attraverso i suoi pori per azione capillare, ed è riscaldato elettricamente per far evaporare l'acqua. Quindi, "usiamo anche quella membrana come sensore, rilevare la temperatura della superficie evaporante in modo accurato e non invasivo, " dice Lu.

Il rivestimento in oro della membrana è fondamentale, Aggiunge. La resistenza elettrica dell'oro varia direttamente in funzione della temperatura, quindi calibrando attentamente il sistema prima dell'esperimento, sono in grado di ottenere una lettura diretta della temperatura nel punto esatto in cui avviene l'evaporazione, momento per momento, semplicemente leggendo la resistenza della membrana.

I dati che hanno raccolto "suggeriscono che l'effettiva forza trainante o potenziale trainante in questo processo non è la differenza di temperatura, ma in realtà la differenza di pressione, " dice Wang. "Questo è ciò che rende tutto ora allineato a questa curva davvero bella, che combacia bene con ciò che la teoria predice, " lei dice.

Anche se può sembrare semplice in linea di principio, sviluppando effettivamente la membrana necessaria con i suoi pori larghi 100 nanometri, che sono realizzati utilizzando un metodo chiamato litografia ad interferenza, e far funzionare correttamente l'intero sistema ha richiesto due anni di duro lavoro, lei dice.

Globale, i risultati finora "sono coerenti con ciò che la teoria prevede, "Lu dice, ma è comunque importante avere quella conferma. "Mentre le teorie hanno predetto le cose, non ci sono state prove sperimentali che le teorie siano corrette, " aggiunge Wang.

Le nuove scoperte forniscono anche una guida per gli ingegneri che progettano nuovi sistemi basati sull'evaporazione, fornendo informazioni sia sulla selezione dei migliori fluidi di lavoro per una data situazione, nonché le condizioni di pressione e rimozione dell'aria ambiente dal sistema. "Utilizzando questo sistema come linea guida è possibile ottimizzare le condizioni di lavoro per determinati tipi di applicazioni, " dice Lu.

Questa squadra "ha fatto una serie di eleganti esperimenti progettati per confermare le previsioni teoriche, "dice Joel Plawsky, professore di ingegneria chimica e biologica presso

RPI, chi non era coinvolto in questo lavoro. "L'apparato era unico e faticosamente difficile da fabbricare e utilizzare. I dati erano eccezionali per qualità e dettagli. Ogni volta che si può far crollare un'ampia diffusione di dati sviluppando una formulazione adimensionale, " questo è, uno che si applica ugualmente bene in un'ampia varietà di condizioni, "che rappresenta un importante passo avanti per l'ingegneria, " lui dice.

Plawsly aggiunge, "Ci sono molte domande che questo lavoro apre sul comportamento dei diversi fluidi e delle miscele di fluidi. Si possono immaginare molti anni di lavoro successivo".

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.