Una nueva técnica de microscopio revela detalles de la nucleación de gotas

El inicio de la formación de gotas y burbujas en las superficies ahora se puede visualizar directamente, lo que permite el diseño de condensadores y calderas más eficientes.
David L. Chandler | Oficina de noticias del MIT
Créditos Foto: Cortesía de los investigadores

Muchos procesos diferentes, incluida la ebullición, la cristalización y la división del agua, se rigen por la distribución de los sitios de nucleación que se forman en las superficies. Leyenda: Estas dos imágenes de microscopio muestran la nucleación de gotas de agua. A la izquierda, imagen obtenida por microscopía electrónica de barrido ambiental convencional (ESEM) A la derecha, utilizando el nuevo método de fase mejorada (p-ESEM), que mejoró el contraste más de seis veces.

La nucleación es un fenómeno omnipresente que gobierna la formación de gotitas y burbujas en los sistemas utilizados para la condensación, desalinización, división del agua, crecimiento de cristales y muchos otros procesos industriales importantes. Ahora, por primera vez, una nueva técnica de microscopía desarrollada en el MIT y en otros lugares permite que el proceso se observe directamente en detalle, lo que podría facilitar el diseño de superficies mejoradas y más eficientes para una variedad de tales procesos.

La innovación utiliza un equipo de microscopio electrónico de barrido convencional, pero añade una nueva técnica de procesamiento que puede aumentar la sensibilidad general hasta diez veces y también mejora el contraste y la resolución. Con este enfoque, los investigadores pudieron observar directamente la distribución espacial de los sitios de nucleación en una superficie y rastrear cómo eso cambió con el tiempo. Luego, el equipo utilizó esta información para derivar una descripción matemática precisa del proceso y las variables que lo controlan.

La nueva técnica podría potencialmente aplicarse a una amplia variedad de áreas de investigación. Se describe hoy en la revista Cell Reports Physical Science, en un artículo del estudiante graduado del MIT Lenan Zhang; el científico investigador visitante Ryuichi Iwata; la profesora de ingeniería mecánica y jefa de departamento Evelyn Wang; y otros nueve en el MIT, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad Jiao Tong de Shanghai.

«Una oportunidad realmente poderosa»

Cuando las gotas se condensan en una superficie plana, como en los condensadores que reciclan el vapor en las plantas de energía eléctrica de regreso al agua, cada gota requiere un sitio de nucleación inicial, a partir del cual se acumula. La formación de esos sitios de nucleación es aleatoria e impredecible, por lo que el diseño de tales sistemas se basa en estimaciones estadísticas de su distribución. Sin embargo, según los nuevos hallazgos, el método estadístico que se ha utilizado para estos cálculos durante décadas es incorrecto y, en su lugar, debería utilizarse uno diferente.

Las imágenes de alta resolución del proceso de nucleación, junto con los modelos matemáticos desarrollados por el equipo, permiten describir la distribución de los sitios de nucleación en términos estrictamente cuantitativos. “La razón por la que esto es tan importante”, dice Wang, “es porque la nucleación ocurre prácticamente en todo, en muchos procesos físicos, ya sea natural o en materiales y sistemas de ingeniería. Por eso, creo que comprender esto de manera más fundamental es una oportunidad realmente poderosa «.

El proceso que utilizaron, llamado microscopía electrónica de barrido ambiental de fase mejorada (p-ESEM), hace posible mirar a través de la niebla electrónica causada por una nube de electrones que se dispersan por las moléculas de gas en movimiento sobre la superficie de la que se toman imágenes. El ESEM convencional “puede obtener imágenes de una muestra muy amplia de material, que es muy singular en comparación con un microscopio electrónico típico, pero la resolución es pobre” debido a esta dispersión de electrones, que genera ruido aleatorio, dice Zhang.

Aprovechando el hecho de que los electrones pueden describirse como partículas u ondas, los investigadores encontraron una forma de utilizar la fase de las ondas de electrones y los retrasos en esa fase generados cuando el electrón golpea algo. Esta información de retardo de fase es extremadamente sensible a las perturbaciones más leves, hasta la escala nanométrica, dice Zhang, y la técnica que desarrollaron hace posible usar estas relaciones de fase de onda de electrón para reconstruir una imagen más detallada.

Al usar este método, dice, “podemos obtener una mejora mucho mejor para el contraste de la imagen, y luego somos capaces de reconstruir o obtener imágenes directamente de los electrones a unas pocas micras o incluso a una escala submicrónica. Esto nos permite ver el proceso de nucleación y la distribución de la gran cantidad de sitios de nucleación «.

El avance permitió al equipo estudiar problemas fundamentales sobre el proceso de nucleación, como la diferencia entre la densidad del sitio y la distancia más cercana entre los sitios. Resulta que las estimaciones de esa relación que han utilizado los ingenieros durante más de medio siglo han sido incorrectas. Se han basado en una relación llamada distribución de Poisson, tanto para la densidad del sitio como para la función de vecino más cercano, cuando de hecho el nuevo trabajo muestra que una relación diferente, la distribución de Rayleigh, describe con mayor precisión la relación de vecino más cercano.

Zhang explica que esto es importante, porque «la nucleación es un comportamiento muy microscópico, pero la distribución de los sitios de nucleación en esta escala microscópica determina realmente el comportamiento macroscópico del sistema». Por ejemplo, en la condensación y la ebullición, determina el coeficiente de transferencia de calor, y en la ebullición incluso el flujo de calor crítico ”, la medida que determina qué tan caliente puede calentarse un sistema de agua hirviendo antes de desencadenar una falla catastrófica.

Los hallazgos también se relacionan con mucho más que la condensación de agua. “Nuestro hallazgo sobre la distribución del sitio de nucleación es universal”, dice Iwata. «Se puede aplicar a una variedad de sistemas que involucran un proceso de nucleación, como la división del agua y el crecimiento de material». Por ejemplo, dice, en los sistemas de división de agua, que se pueden usar para generar combustible en forma de hidrógeno a partir de electricidad de fuentes renovables. La dinámica de la formación de burbujas en tales sistemas es clave para su desempeño general y está determinada en gran parte por el proceso de nucleación.

Iwata agrega que “parece que la división del agua y la condensación son fenómenos muy diferentes, pero encontramos una ley universal entre ellos. Así que estamos muy emocionados por eso «.

Diversas aplicaciones

Muchos otros fenómenos también dependen de la nucleación, incluidos procesos como el crecimiento de películas cristalinas, incluido el diamante, a través de las superficies. Estos procesos son cada vez más importantes en una amplia variedad de aplicaciones de alta tecnología.

Además de la nucleación, la nueva técnica p-ESEM que desarrolló el equipo también se puede utilizar para probar una variedad de procesos físicos diferentes, dicen los investigadores. Zhang dice que podría aplicarse también a “procesos electroquímicos, física de polímeros y biomateriales, porque todos estos tipos de materiales se estudian ampliamente utilizando el ESEM convencional. Sin embargo, al usar el p-ESEM, definitivamente podemos obtener un rendimiento mucho mejor debido a la alta sensibilidad intrínseca ”de este sistema.

El sistema p-ESEM, dice Zhang, al mejorar el contraste y la sensibilidad, puede mejorar la intensidad de la señal en relación con el ruido de fondo hasta 10 veces.

Nenad Miljkovic, profesor de ciencia mecánica e ingeniería en la Universidad de Illinois que no estuvo asociado con este trabajo, dice: “La nucleación gobierna una plétora de fenómenos como la ebullición, la condensación y la deposición de vapor químico (como se menciona en el artículo) pero también una multitud de otras transiciones de fase como el ensuciamiento por precipitación, el inicio de la corrosión, así como la solidificación del hielo o materiales de cambio de fase en el almacenamiento de energía ”.

Agrega: “Clásicamente, el trabajo anterior se ha basado en las estadísticas de Poisson para obtener una estimación del espaciado del vecino más cercano, que luego se puede usar en modelos para predecir la transferencia de calor, las tasas de crecimiento o la dinámica de reacción según el proceso en cuestión. El trabajo actual altera fundamentalmente este punto de vista clásico ”.

El equipo de investigación incluyó a Lin Zhao, Shuai Gong, Zhengmao Lu, Yang Zhong, Samuel Cruz y Kyle Wilke en el MIT; Jinlong Zhu, de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign; y Zhenyuan Xu y Ping Cheng en la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China. El trabajo fue apoyado por la Alianza Singapur-MIT para Investigación y Tecnología, Toyota Central R&D Labs y la Fundación Nacional de Ciencia de China y el Proyecto Principal Nacional de Ciencia y Tecnología.

«Reimpreso con permiso de MIT News»

Comparte el artículo en tus redes sociales:

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on whatsapp
Share on email
Share on pinterest
Esta web utiliza cookies propias y de terceros para su correcto funcionamiento y para fines analíticos y para fines de afiliación y para mostrarte publicidad relacionada con sus preferencias en base a un perfil elaborado a partir de tus hábitos de navegación. Al hacer clic en el botón Aceptar, acepta el uso de estas tecnologías y el procesamiento de sus datos para estos propósitos. Más información
Privacidad
Ir al contenido