Considera la superficie dell'acqua più vicina:un bicchiere mezzo pieno sulla tua scrivania, una pozzanghera fuori dalla tua finestra, o un lago dall'altra parte della città. Tutte queste superfici rappresentano interfacce liquido-vapore, dove il liquido incontra l'aria. Le molecole di vapore acqueo si scontrano costantemente con queste superfici liquide:alcune attraversano la superficie e si condensano, mentre altri semplicemente rimbalzano.
La probabilità che una molecola di vapore rimbalzi, o riflettere, da una superficie liquida è una proprietà fondamentale dell'acqua, molto simile al suo punto di ebollizione. E ancora, nel secolo scorso, c'è stato poco accordo sulla probabilità che una molecola d'acqua rimbalzi sulla superficie del liquido.
"Quando una molecola di vapore acqueo colpisce una superficie, va subito nel liquido? O si stacca e colpisce ancora e ancora, poi eventualmente entrare?" dice Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica al MIT. "Ci sono molte polemiche, e non c'è un modo semplice per misurare questa proprietà di base."
Conoscere questa probabilità di rimbalzo darebbe agli scienziati una comprensione essenziale di una varietà di applicazioni che coinvolgono il flusso d'acqua:il movimento dell'acqua attraverso il suolo, la formazione di nuvole e nebbia, e l'efficienza dei dispositivi di filtrazione dell'acqua.
Quest'ultima applicazione ha spronato Karnik e i suoi colleghi, Jongho Lee, uno studente laureato del MIT in ingegneria meccanica, e Tahar Laoui, un professore alla King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) in Arabia Saudita, per studiare la probabilità di rimbalzo dell'acqua. Il gruppo sta sviluppando membrane per la dissalazione dell'acqua; il successo di questa tecnologia dipende, in parte, sulla capacità del vapore acqueo di fluire attraverso la membrana e condensarsi dall'altra parte come acqua purificata.
Osservando il trasporto dell'acqua attraverso membrane con pori di varie dimensioni, il gruppo ha misurato la probabilità di una molecola d'acqua di condensare o rimbalzare su una superficie liquida su scala nanometrica. I risultati, pubblicato in Nanotecnologia della natura , potrebbe aiutare nella progettazione di membrane di desalinizzazione più efficienti, e può anche ampliare la comprensione degli scienziati sul flusso dell'acqua su scala nanometrica.
"Ovunque tu abbia una superficie liquido-vapore, ci sarà evaporazione e condensa, " dice Karnik. "Quindi questa probabilità è abbastanza universale, poiché definisce ciò che le molecole d'acqua fanno su tutte queste superfici."
Intralciare il flusso
Uno dei modi più semplici per rimuovere il sale dall'acqua è far bollire ed evaporare l'acqua, separandola dai sali, poi condensandolo come acqua purificata. Ma questo metodo è ad alta intensità energetica, richiedono molto calore.
Il gruppo di Karnik ha sviluppato una membrana di desalinizzazione che imita il processo di ebollizione, ma senza bisogno di calore. La membrana sottilissima contiene pori su scala nanometrica che, visto di lato, assomigliano a minuscoli tubi. La metà di ogni tubo è idrofila, o che attira l'acqua, mentre l'altra metà è idrofoba, o idrorepellente.
Quando l'acqua scorre dal lato idrofilo a quello idrofobo, passa da liquido a vapore all'interfaccia liquido-vapore, simulando la transizione dell'acqua durante il processo di ebollizione. Le molecole di vapore che viaggiano verso la soluzione liquida all'altra estremità del nanoporo possono condensarsi o rimbalzarci sopra. La membrana consente portate d'acqua più elevate se più molecole si condensano, piuttosto che rimbalzare.
La progettazione di una membrana di desalinizzazione efficiente richiede la comprensione di ciò che potrebbe impedire all'acqua di fluire attraverso di essa. Nel caso della membrana dei ricercatori, hanno scoperto che la resistenza al flusso d'acqua derivava da due fattori:la lunghezza dei nanopori nella membrana e la probabilità che una molecola rimbalzasse, piuttosto che condensare.
In esperimenti con membrane i cui nanopori variavano in lunghezza, il team ha osservato che una maggiore lunghezza dei pori era il principale fattore che impediva il flusso dell'acqua, ovvero maggiore è la distanza che una molecola deve percorrere, meno è probabile che attraversi la membrana. Man mano che i pori si accorciano, avvicinando le due soluzioni liquide, questo effetto si attenua, e le molecole d'acqua hanno maggiori possibilità di passare.
Ma a una certa lunghezza, i ricercatori hanno scoperto che la resistenza al flusso d'acqua deriva principalmente dalla probabilità di una molecola di rimbalzare. In altre parole, in pori molto corti, il flusso dell'acqua è limitato dalla possibilità che le molecole d'acqua rimbalzino sulla superficie del liquido, piuttosto che viaggiare attraverso i nanopori. Quando i ricercatori hanno quantificato questo effetto, hanno scoperto che solo dal 20 al 30 percento delle molecole di vapore acqueo che colpiscono la superficie del liquido in realtà si condensano, con la maggioranza che si allontana.
Un design senza rimbalzi
Hanno anche scoperto che la probabilità di rimbalzo di una molecola dipende dalla temperatura:il 64% delle molecole rimbalza a 90 gradi Fahrenheit, mentre l'82% delle molecole rimbalzerà a 140 gradi. Il gruppo ha registrato la probabilità di rimbalzo dell'acqua in relazione alla temperatura, producendo un grafico a cui Karnik afferma che i ricercatori possono fare riferimento nel calcolo dei flussi su scala nanometrica in molti sistemi.
"Questa probabilità ci dice come si comportano le diverse strutture dei pori in termini di flusso, " Karnik dice. "Quanto corto dobbiamo fare il poro e quali portate otterremo? Questo parametro ha un impatto diretto sulle considerazioni di progettazione della nostra membrana di filtrazione."
Lee afferma che conoscere la probabilità di rimbalzo dell'acqua può anche aiutare a controllare i livelli di umidità nelle celle a combustibile.
"Uno dei problemi con le celle a combustibile con membrana a scambio protonico è, dopo che l'idrogeno e l'ossigeno reagiscono, l'acqua è generata. Ma se hai uno scarso controllo del flusso dell'acqua, inonderai la stessa cella a combustibile, " Lee dice. "Questo tipo di cella a combustibile coinvolge membrane e strutture su scala nanometrica. Se comprendi il comportamento corretto della condensazione o dell'evaporazione dell'acqua su scala nanometrica, puoi controllare l'umidità della cella a combustibile e mantenere sempre buone prestazioni."
