Ny mikroskopteknik afslører detaljer om dråbekernedannelse

Nukleation er et allestedsnærværende fænomen, der styrer dannelsen af ​​både dråber og bobler i systemer, der bruges til kondensering, afsaltning, vandspaltning, krystal vækst, og mange andre vigtige industrielle processer. Nu, for første gang, en ny mikroskopiteknik udviklet på MIT og andre steder gør det muligt at observere processen direkte i detaljer, som kunne lette udformningen af ​​forbedrede, mere effektive overflader til en række af sådanne processer.

Innovationen bruger konventionelt scanningselektronmikroskopudstyr, men tilføjer en ny behandlingsteknik, der kan øge den samlede følsomhed med så meget som tidoblet og også forbedrer kontrast og opløsning. Ved at bruge denne tilgang, forskerne var i stand til direkte at observere den rumlige fordeling af nukleationssteder på en overflade og spore, hvordan det ændrede sig over tid. Holdet brugte derefter denne information til at udlede en præcis matematisk beskrivelse af processen og de variabler, der styrer den.

Den nye teknik kan potentielt anvendes til en lang række forskningsområder. Det er beskrevet i dag i journalen Cell Rapporter Fysisk Videnskab , i et papir af MIT kandidatstuderende Lenan Zhang; gæsteforsker Ryuichi Iwata; professor i maskinteknik og afdelingsleder Evelyn Wang; og ni andre på MIT, University of Illinois i Urbana-Champaign, og Shanghai Jiao Tong University.

"En virkelig stærk mulighed"

Når dråber kondenserer på en flad overflade, såsom på kondensatorerne, der leder dampen i elektriske kraftværker tilbage til vandet, hver dråbe kræver et indledende kernedannelsessted, hvorfra det bygger sig op. Dannelsen af ​​disse kernedannelsessteder er tilfældig og uforudsigelig, så udformningen af ​​sådanne systemer er afhængig af statistiske skøn over deres fordeling. Ifølge de nye resultater, imidlertid, den statistiske metode, der er blevet brugt til disse beregninger i årtier, er forkert, og en anden skal bruges i stedet.

De højopløselige billeder af kernedannelsesprocessen, sammen med matematiske modeller, teamet udviklede, gøre det muligt at beskrive fordelingen af ​​nukleationssteder i strenge kvantitative termer. "Grunden til, at dette er så vigtigt, "Wang siger, "er fordi nukleation stort set sker i alt, i mange fysiske processer, uanset om det er naturligt eller i konstruerede materialer og systemer. På grund af det, Jeg tror, ​​at det er en virkelig stærk mulighed at forstå dette mere grundlæggende."

Den proces, de brugte, kaldet faseforstærket miljøskanningselektronmikroskopi (p-ESEM), gør det muligt at kigge gennem den elektroniske tåge forårsaget af en sky af elektroner, der spredes fra bevægelige gasmolekyler over overfladen, der afbildes. Konventionel ESEM "kan afbilde en meget bred prøve af materiale, hvilket er meget unikt sammenlignet med et typisk elektronmikroskop, men opløsningen er dårlig" på grund af denne elektronspredning, som genererer tilfældig støj, siger Zhang.

Ved at udnytte det faktum, at elektroner kan beskrives som enten partikler eller bølger, forskerne fandt en måde at bruge elektronbølgernes fase på, og forsinkelserne i den fase, der genereres, når elektronen rammer noget. Denne faseforsinkelsesinformation er ekstremt følsom over for de mindste forstyrrelser, ned til nanometerskalaen, Zhang siger, og den teknik, de udviklede, gør det muligt at bruge disse elektron-bølge-faseforhold til at rekonstruere et mere detaljeret billede.

Ved at bruge denne metode, han siger, "Vi kan få meget bedre forbedring af billedkontrasten, og så er vi i stand til at rekonstruere eller direkte afbilde elektronerne på et par mikron eller endda en submikron skala. Dette giver os mulighed for at se kernedannelsesprocessen og fordelingen af ​​det enorme antal kernedannelsessteder."

Fremskridtet gjorde det muligt for holdet at studere grundlæggende problemer om kernedannelsesprocessen, såsom forskellen mellem stedets tæthed og den nærmeste afstand mellem lokaliteterne. Det viser sig, at estimater af det forhold, der har været brugt af ingeniører i over et halvt århundrede, har været forkerte. De har været baseret på et forhold kaldet en Poisson-fordeling, for både stedets tæthed og den nærmeste nabofunktion, når det nye værk faktisk viser, at et andet forhold, Rayleigh distributionen, beskriver mere præcist forholdet til nærmeste nabo.

Zhang forklarer, at dette er vigtigt, fordi "kernedannelse er en meget mikroskopisk adfærd, men fordelingen af ​​nukleationssteder på denne mikroskopiske skala bestemmer faktisk systemets makroskopiske adfærd." For eksempel, i kondensering og kogning, det bestemmer varmeoverførselskoefficienten, og i kogning selv den kritiske varmeflux, "målet, der bestemmer, hvor varmt et kogende vandsystem kan blive, før det udløser en katastrofal fejl.

Resultaterne vedrører også langt mere end blot vandkondensering. "Vores konstatering om fordelingen af ​​nukleationsstedet er universel, " Iwata siger. "Det kan anvendes på en række forskellige systemer, der involverer en nukleationsproces, såsom vandspaltning og materialevækst." F.eks. han siger, i vandopdelingssystemer, som kan bruges til at generere brændstof i form af brint ud af elektricitet fra vedvarende kilder. Dynamikken i dannelsen af ​​bobler i sådanne systemer er nøglen til deres samlede ydeevne, og bestemmes i høj grad af kernedannelsesprocessen.

Iwata tilføjer, at "det lyder som om vandspaltning og kondens er meget forskellige fænomener, men vi fandt en universel lov blandt dem. Så det er vi så begejstrede for."

Forskellige applikationer

Mange andre fænomener er også afhængige af kernedannelse, herunder processer som vækst af krystallinske film, inklusive diamant, på tværs af overflader. Sådanne processer er stadig vigtigere i en lang række højteknologiske applikationer.

Ud over kernedannelse, den nye p-ESEM-teknik, som holdet udviklede, kan også bruges til at undersøge en række forskellige fysiske processer, siger forskerne. Zhang siger, at det også kan anvendes på "elektrokemiske processer, polymerfysik, og biomaterialer, fordi alle disse slags materialer studeres bredt ved hjælp af den konventionelle ESEM. Endnu, ved at bruge p-ESEM, vi kan helt sikkert få en meget bedre ydeevne på grund af den iboende høje følsomhed" af dette system.

p-ESEM systemet, Zhang siger, ved at forbedre kontrast og følsomhed, kan forbedre signalets intensitet i forhold til baggrundsstøj med op til 10 gange.