La nucleazione è un fenomeno onnipresente che regola la formazione sia di goccioline che di bolle nei sistemi utilizzati per la condensazione, desalinizzazione, scissione dell'acqua, crescita dei cristalli, e molti altri importanti processi industriali. Ora, per la prima volta, una nuova tecnica di microscopia sviluppata al MIT e altrove consente di osservare direttamente il processo in dettaglio, che potrebbe facilitare la progettazione di migliori, superfici più efficienti per una varietà di tali processi.

L'innovazione utilizza l'attrezzatura convenzionale del microscopio elettronico a scansione, ma aggiunge una nuova tecnica di elaborazione che può aumentare la sensibilità complessiva fino a dieci volte e migliora anche il contrasto e la risoluzione. Utilizzando questo approccio, i ricercatori sono stati in grado di osservare direttamente la distribuzione spaziale dei siti di nucleazione su una superficie e tenere traccia di come è cambiata nel tempo. Il team ha quindi utilizzato queste informazioni per ricavare una descrizione matematica precisa del processo e delle variabili che lo controllano.

La nuova tecnica potrebbe essere potenzialmente applicata a un'ampia varietà di aree di ricerca. È descritto oggi sul giornale Cell Report Scienze fisiche , in un articolo dello studente laureato del MIT Lenan Zhang; ricercatore in visita Ryuichi Iwata; professore di ingegneria meccanica e capo dipartimento Evelyn Wang; e altri nove al MIT, l'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, e l'Università Jiao Tong di Shanghai.

"Un'opportunità davvero potente"

Quando le goccioline si condensano su una superficie piana, come sui condensatori che riportano in acqua il vapore nelle centrali elettriche, ogni gocciolina richiede un sito di nucleazione iniziale, da cui si costruisce. La formazione di quei siti di nucleazione è casuale e imprevedibile, quindi la progettazione di tali sistemi si basa su stime statistiche della loro distribuzione. Secondo le nuove scoperte, però, il metodo statistico utilizzato da decenni per questi calcoli non è corretto, e invece dovrebbe essere usato un altro.

Le immagini ad alta risoluzione del processo di nucleazione, insieme ai modelli matematici sviluppati dal team, consentono di descrivere la distribuzione dei siti di nucleazione in termini quantitativi rigorosi. "Il motivo per cui è così importante, "Wang dice, "è perché la nucleazione avviene praticamente in ogni cosa, in molti processi fisici, che sia naturale o in materiali e sistemi ingegnerizzati. A causa di ciò, Penso che capire questo in modo più fondamentale sia un'opportunità davvero potente".

Il processo che hanno usato, chiamata microscopia elettronica a scansione ambientale a fase avanzata (p-ESEM), rende possibile sbirciare attraverso la nebbia elettronica causata da una nuvola di elettroni che si disperdono dalle molecole di gas in movimento sulla superficie oggetto dell'immagine. L'ESEM convenzionale "può visualizzare un campione molto ampio di materiale, che è davvero unico rispetto a un tipico microscopio elettronico, ma la risoluzione è scarsa" a causa di questa dispersione di elettroni, che genera rumore casuale, dice Zhang.

Approfittando del fatto che gli elettroni possono essere descritti come particelle o onde, i ricercatori hanno trovato un modo per utilizzare la fase delle onde degli elettroni, e i ritardi in quella fase generati quando l'elettrone colpisce qualcosa. Questa informazione sul ritardo di fase è estremamente sensibile alle minime perturbazioni, fino alla scala nanometrica, Zhang dice, e la tecnica che hanno sviluppato rende possibile utilizzare queste relazioni di fase elettrone-onda per ricostruire un'immagine più dettagliata.

Utilizzando questo metodo, lui dice, "possiamo ottenere miglioramenti molto migliori per il contrasto dell'immagine, e quindi siamo in grado di ricostruire o visualizzare direttamente gli elettroni a pochi micron o anche su scala submicronica. Questo ci permette di vedere il processo di nucleazione e la distribuzione dell'enorme numero di siti di nucleazione".

Il progresso ha permesso al team di studiare problemi fondamentali sul processo di nucleazione, come la differenza tra la densità del sito e la distanza più vicina tra i siti. Si scopre che le stime di quella relazione che sono state utilizzate dagli ingegneri per oltre mezzo secolo sono state errate. Sono stati basati su una relazione chiamata distribuzione di Poisson, sia per la densità del sito che per la funzione del vicino più prossimo, quando in effetti il ​​nuovo lavoro mostra che un diverso rapporto, la distribuzione di Rayleigh, descrive più accuratamente la relazione di vicino più prossimo.

Zhang spiega che questo è importante, perché "la nucleazione è un comportamento molto microscopico, ma la distribuzione dei siti di nucleazione su questa scala microscopica determina in realtà il comportamento macroscopico del sistema." Ad esempio, in condensazione ed ebollizione, determina il coefficiente di scambio termico, e nell'ebollizione anche il flusso di calore critico, "la misura che determina quanto può diventare caldo un sistema di acqua bollente prima di innescare un guasto catastrofico.

I risultati riguardano anche molto di più della semplice condensazione dell'acqua. "La nostra scoperta sulla distribuzione del sito di nucleazione è universale, " Dice Iwata. "Può essere applicato a una varietà di sistemi che coinvolgono un processo di nucleazione, come la scissione dell'acqua e la crescita di materiale." Ad esempio, lui dice, nei sistemi di scissione dell'acqua, che può essere utilizzato per generare carburante sotto forma di idrogeno a partire da elettricità da fonti rinnovabili. La dinamica della formazione delle bolle in tali sistemi è fondamentale per le loro prestazioni complessive, ed è determinato in gran parte dal processo di nucleazione.

Iwata aggiunge che "sembra che la scissione dell'acqua e la condensa siano fenomeni molto diversi, ma abbiamo trovato tra loro una legge universale. Quindi siamo così entusiasti di questo".

Diverse applicazioni

Molti altri fenomeni si basano anche sulla nucleazione, compresi processi come la crescita di film cristallini, compreso il diamante, attraverso le superfici. Tali processi sono sempre più importanti in un'ampia varietà di applicazioni high-tech.

Oltre alla nucleazione, la nuova tecnica p-ESEM sviluppata dal team può anche essere utilizzata per sondare una varietà di diversi processi fisici, dicono i ricercatori. Zhang dice che potrebbe essere applicato anche a "processi elettrochimici, fisica dei polimeri, e biomateriali, perché tutti questi tipi di materiale sono ampiamente studiati utilizzando l'ESEM convenzionale. Ancora, utilizzando il p-ESEM, possiamo sicuramente ottenere prestazioni molto migliori grazie all'elevata sensibilità intrinseca" di questo sistema.

Il sistema p-ESEM, Zhang dice, migliorando contrasto e sensibilità, può migliorare l'intensità del segnale in relazione al rumore di fondo fino a 10 volte.