Egenskapen för vatten som gör det möjligt för en bugg att skumma ytan av en damm eller håller ett noggrant placerat gem att flyta på toppen av en kopp vatten kallas ytspänning. Att förstå vattnets ytspänning är viktigt i ett brett spektrum av tillämpningar inklusive värmeöverföring, avsaltning, och oceanografi. Även om mycket är känt om ytspänningen i sötvatten, mycket lite har varit känt om ytspänningen hos havsvatten - tills nyligen.

Under 2012, John Lienhard, Abdul Latif Jameel professor i vatten- och maskinteknik, och dåvarande doktorand Kishor Nayar SM '14, Ph.D. '19 påbörjade ett forskningsprojekt för att förstå hur ytspänningen i havsvatten förändras med temperatur och salthalt. Två år senare, de publicerade sina resultat i Journal of Physical and Chemical Reference Data. I vår, International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) meddelade att de hade ansett Lienhard och Nayars arbete som en internationell riktlinje.

Enligt IAPWS, Lienhard och Nayars forskning "presenterar en korrelation för ytspänningen hos havsvatten som en funktion av temperatur och salthalt." Tillkännagivandet av riktlinjen markerade slutförandet av åtta års arbete med dussintals medarbetare från MIT och över hela världen.

"Detta projekt växte fram ur mitt arbete med avsaltning. Inom avsaltning, du behöver veta om vattens ytspänning eftersom det påverkar hur vatten passerar genom porer i ett membran, " förklarar Lienhard, en världsledande expert på avsaltning - processen genom vilken saltvatten behandlas för att bli dricksvatten.

Lienhard föreslog att Nayar skulle mäta havsvattnets ytspänning och jämföra resultaten med ytspänningen för rent vatten. Som de snart skulle få reda på, att få tillförlitliga data från saltvatten skulle visa sig vara otroligt svårt.

"Vi trodde ursprungligen att dessa experiment skulle vara ganska enkla att göra, att vi skulle vara klara om en månad eller två. Men när vi började titta på det, vi insåg att det var ett mycket svårare problem att ta itu med, säger Lienhard.

Från början, Nayar hoppades få tillräckligt med exakta data för att informera en fastighetsstandard. Om du gör det skulle osäkerheten i mätningarna vara mindre än 1 procent.

"När man pratar om fastighetsmätningar, du måste vara så noggrann som möjligt, " förklarar Nayar. Det första hindret han var tvungen att övervinna för att uppnå denna nivå av noggrannhet var att hitta rätt instrument för att göra tillförlitliga mätningar - något som visade sig vara ingen lätt bedrift.

Mäter ytspänning

För att mäta vattnets ytspänning, Lienhard och Nayar slog sig ihop med Gareth McKinley, professor i maskinteknik, och doktorand Divya Panchanathan SM '15, Ph.D. '18. De började med en anordning som kallas en Wilhelmy-platta, som hittar ytspänningen genom att sänka en liten platinaplatta i en bägare med vatten och sedan mäta kraften som vattnet utövar när plattan höjs.

Nayar och Panchanathan kämpade för att mäta ytspänningen i saltvatten vid högre temperaturer. "Problemet vi hela tiden hittade var när temperaturen var över 50 grader Celsius, vattnet på bägaren avdunstade snabbare än vi kunde ta mätningarna, "Säger Nayar.

Inget instrument skulle tillåta dem att få den data de behövde – så Nayar vände sig till MIT Hobby Shop. Med hjälp av en svarv, han byggde ett speciellt lock för bägaren att hålla ångan i.

"Det lilla locket som Kishor byggde hade noggrant skurna dörrar som gjorde att han kunde sätta en ytspänningssond genom locket utan att låta vattenånga komma ut, "förklarar Lienhard.

Efter att ha gjort framsteg med att skaffa data, laget drabbades av ett enormt bakslag. De fann att knappt synliga saltfjäll, som bildades på deras testbägare med tiden, hade infört fel i sina mätningar. För att få de mest exakta värdena, de bestämde sig för att använda färska nya bägare för varje enskilt test. Som ett resultat, Nayar var tvungen att upprepa nio månaders arbete precis innan hans masteruppsats skulle beräknas. Lyckligtvis, eftersom huvudproblemet identifierades och löstes, experiment skulle kunna upprepas mycket snabbare.

Nayar kunde göra om experimenten i tid. Teamet mätte ytspänningen i havsvatten från rumstemperatur till 90 grader Celsius och salthaltsnivåer från rent vatten till fyra gånger salthalten i havsvatten. De fann att ytspänningen minskar med ungefär 20 procent när vattnet går från rumstemperatur mot kokning. Under tiden, när salthalten ökar, ytspänningen ökar också. Teamet hade låst upp mysteriet med ytspänning i havsvatten.

"Det var bokstavligen det mest tekniskt utmanande jag någonsin gjort, " minns Nayar.

Deras data hade en genomsnittlig avvikelse på 0,19 procent, med en maximal avvikelse på bara 0,6 procent – ​​väl inom gränsen på 1 procent som behövs för en riktlinje.

Från magisteruppsats till internationell riktlinje

Tre år efter att ha avslutat sin masteruppsats, Nayar, då en doktorsexamen studerande, deltog i ett IAPWS-möte i Kyoto, Japan. IAPWS är en ideell internationell organisation som ansvarar för att släppa standarder för egenskaperna hos vatten och ånga. Där, Nayar träffade ledare inom området för vattenytspänning som hade kämpat med samma problem som Nayar hade ställts inför. Dessa kontakter introducerade honom till den långa, rigorös process för att förklara något som en internationell riktlinje.

IAPWS hade tidigare publicerat standarder om egenskaperna hos ånga som utvecklats av den sene Joseph Henry Keenan, professor och engångsavdelningschef för maskinteknik vid MIT. För att ansluta sig till Keenan som författare till en IAPWS-standard, teamets data behövde verifieras genom mätningar utförda av andra forskare. Efter tre års arbete med IAPWS, teamets arbete antogs slutligen som en internationell riktlinje.

För Nayar, som tog examen med sin doktorsexamen förra året och är nu senior industriell vatten-/avloppsingenjör på ingenjörskonsultföretaget GHD, riktlinjemeddelandet gjorde de långa månaderna med att samla in data väl värt det. "Det kändes som att något blev färdigt, " minns han.

Fynden som Nayar, Panchanathan, McKinley, och Lienhard som rapporterades tillbaka 2014 är allmänt tillämpliga på ett antal branscher, enligt Lienhard. "Det är verkligen relevant för avsaltningsarbete, men också för oceanografiska problem som kapillärvågdynamik, " han förklarar.

Det hjälper också att förklara hur små saker – som en insekt eller ett gem – kan flyta på havsvatten.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.