Ilustración. / MIT

La innovación utiliza el equipo convencional de microscopio electrónico de barrido, pero añade una nueva técnica de procesamiento que puede aumentar la sensibilidad general hasta diez veces y también mejora el contraste y la resolución. Utilizando 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. El equipo utilizó luego esta información para derivar una descripción matemática precisa del proceso y las variables que lo controlan.

La nueva técnica podría aplicarse potencialmente 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 investigador científico visitante Ryuichi Iwata; el profesor de ingeniería mecánica y jefe de departamento Evelyn Wang; y otras nueve personas del MIT, la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign y la Universidad Jiao Tong de Shanghai.

"Una oportunidad realmente poderosa"

Cuando las gotitas se condensan en una superficie plana, como en los condensadores que hacen circular el vapor en las centrales eléctricas de vuelta 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 esos sistemas se basa en estimaciones estadísticas de su distribución. Sin embargo, según los nuevos descubrimientos, el método estadístico que se ha utilizado para esos cálculos durante decenios es incorrecto, y en su lugar debería utilizarse otro diferente.

Las imágenes de alta resolución del proceso de nucleación, junto con los modelos matemáticos que el equipo desarrolló, 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 entender esto más fundamentalmente es una oportunidad realmente poderosa".

El proceso que usaron, llamado microscopía electrónica de barrido ambiental mejorado (p-ESEM), hace posible observar 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 que se está fotografiando. El ESEM convencional "puede tomar imágenes de una muestra muy amplia de material, que es muy única comparada 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 ser descritos como partículas u ondas, los investigadores encontraron una forma de utilizar la fase de las ondas de los electrones, y los retrasos en esa fase generados cuando el electrón golpea algo. Esta información sobre el retraso de la fase es extremadamente sensible a las más mínimas perturbaciones, hasta la escala nanométrica, dice Zhang, y la técnica que desarrollaron permite utilizar estas relaciones de fase de las ondas de electrones para reconstruir una imagen más detallada.

Usando este método, dice, "podemos obtener un mejoramiento mucho mayor del contraste de la imagen, y entonces somos capaces de reconstruir o directamente visualizar los electrones a unas pocas micras o incluso a una escala submicrónica". Esto nos permite ver el proceso de nucleación y la distribución del enorme número 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 sitios. Resulta que las estimaciones de esa relación que han sido utilizadas por 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 en realidad 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 realmente determina el comportamiento macroscópico del sistema". Por ejemplo, en la condensación y en la ebullición, determina el coeficiente de transferencia de calor, y en la ebullición incluso el flujo de calor crítico", la medida que determina cuán caliente puede llegar a estar un sistema de agua en ebullición antes de desencadenar una falla catastrófica.

Los hallazgos también se relacionan con mucho más que la simple condensación de agua. "Nuestro hallazgo sobre la distribución del sitio de nucleación es universal", dice Iwata. "Puede aplicarse a una variedad de sistemas que implican un proceso de nucleación, como la división del agua y el crecimiento de material". Por ejemplo, dice, en los sistemas de división del agua, que pueden utilizarse 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 rendimiento general, y está determinada en gran parte por el proceso de nucleación.

Iwata añade 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 entusiasmados con eso".

Aplicaciones diversas

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

Además de la nucleación, la nueva técnica p-ESEM desarrollada por el equipo también puede ser utilizada para investigar una variedad de procesos físicos diferentes, dicen los investigadores. Zhang dice que también podría aplicarse a "procesos electroquímicos, física de polímeros y biomateriales, porque todos estos tipos de material son ampliamente estudiados utilizando el ESEM convencional". Sin embargo, utilizando el p-ESEM, podemos definitivamente 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 ciencias mecánicas e ingeniería de la Universidad de Illinois que no estuvo asociado con este trabajo, dice: "La nucleación rige una plétora de fenómenos como la ebullición, la condensación y la deposición química de vapor (como se menciona en el trabajo), pero también una multitud de otras transiciones de fase como la incrustación por precipitación, la iniciación de la corrosión, así como la solidificación del hielo o los materiales de cambio de fase en el almacenamiento de energía".

Añade: "Clásicamente, los trabajos anteriores se han basado en las estadísticas de Poisson para obtener una estimación del espaciamiento entre vecinos más cercanos, que luego puede utilizarse en modelos para predecir la transferencia de calor, las tasas de crecimiento o la dinámica de la reacción, según el proceso de que se trate. 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, en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign; y Zhenyuan Xu y Ping Cheng en la Universidad Jiao Tong de Shanghai en China. La labor contó con el apoyo de la Alianza para la Investigación y la Tecnología del MIT de Singapur, los laboratorios centrales de investigación y desarrollo de Toyota y la Fundación Nacional de Ciencias de China y el Proyecto Principal de Ciencia y Tecnología Nacional.

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