Det är en process som är så grundläggande för vardagen - i allt från din morgonkaffebryggare till det enorma kraftverk som ger sin el - att det ofta tas för givet:hur en vätska kokar bort från en het yta.

Ändå överraskande, denna grundläggande process har först nu, för första gången, analyserats i detalj på molekylär nivå, i en ny analys av MIT postdoc Zhengmao Lu, professor i maskinteknik och avdelningschef Evelyn Wang, och tre andra vid MIT och Tokyo University. Studien visas i tidskriften Naturkommunikation .

"Det visar sig att för processen med fas-förändring av vätska till ånga, en grundläggande förståelse för det är fortfarande relativt begränsad, "Wang förklarar." Även om det har utvecklats många teorier, det har faktiskt inte funnits experimentella bevis på avdunstningsfysikens grundläggande gränser. "

Det är en viktig process att förstå eftersom den är så allestädes närvarande. "Avdunstning är utbredd i alla möjliga typer av system, såsom ånggenerering för kraftverk, vattenavsaltningsteknik, membrandestillation, och termisk hantering, som värmerör, till exempel, "Wang säger. För att optimera effektiviteten i sådana processer krävs en tydlig förståelse av dynamiken i spel, men i många fall förlitar ingenjörer sig på approximationer eller empiriska observationer för att styra deras val av material och driftsförhållanden.

Genom att använda en ny teknik för att både kontrollera och detektera temperaturer på ytan av en förångande vätska, forskarna kunde identifiera en uppsättning universella egenskaper som involverar tid, tryck- och temperaturförändringar som bestämmer detaljerna i avdunstningsprocessen. I processen, de upptäckte att nyckelfaktorn som bestämde hur snabbt vätskan kunde avdunsta inte var temperaturskillnaden mellan ytan och vätskan, utan snarare skillnaden i tryck mellan vätskeytan och omgivande ånga.

Den "ganska enkla frågan" om hur en vätska förångas vid en given temperatur och tryck, har varit obesvarad trots många decenniers studier, säger Pawel Keblinski, professor och chef för institutionen för materialvetenskap och teknik vid Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), som inte var inblandad i detta arbete. "Medan teoretiker spekulerade i över ett sekel, experimentet var till liten hjälp, som att se det förångande vätske-ånggränssnittet och känna till temperaturen och trycket nära gränssnitten är extremt utmanande, " han säger.

Detta nya verk, Keblinski säger, "för oss närmare sanningen." Tillsammans med andra nya observationstekniker som utvecklats av andra, den nya insikten kommer att "sätta oss på vägen för att äntligen kvantifiera avdunstningsprocessen efter ett sekels ansträngningar, " han säger.

Forskarnas framgång var delvis resultatet av att andra faktorer som försvårade analysen eliminerades. Till exempel, avdunstning av vätska till luft påverkas starkt av luftens isolerande egenskaper, så för dessa experiment observerades processen i en kammare med endast vätska och ånga närvarande, isolerad från den omgivande luften. Sedan, för att undersöka effekterna precis vid gränsen mellan vätskan och ångan, forskarna använde ett mycket tunt membran fyllt med små porer för att begränsa vattnet, hetta upp det, och mäta dess temperatur.

Det membranet, bara 200 nanometer (miljarddels meter) tjock, tillverkad av kiselnitrid och belagd med guld, leder vatten genom sina porer genom kapillärverkan, och värms elektriskt för att orsaka att vattnet avdunstar. Sedan, "Vi använder också det membranet som sensorn, att känna av temperaturen på den förångande ytan på ett exakt och icke -invasivt sätt, "Säger Lu.

Guldbeläggningen av membranet är avgörande, han lägger till. Guldets elektriska motstånd varierar direkt som en funktion av temperaturen, så genom att noggrant kalibrera systemet före experimentet, de kan få en direkt avläsning av temperaturen vid den exakta punkten där avdunstning sker, ögonblick för ögonblick, helt enkelt genom att läsa membranets motstånd.

Uppgifterna de samlade "tyder på att den faktiska drivkraften eller drivpotentialen i denna process inte är skillnaden i temperatur, men faktiskt tryckskillnaden, "Säger Wang." Det är det som gör att allt nu anpassas till denna riktigt fina kurva, som stämmer väl överens med vad teorin skulle förutsäga, " hon säger.

Även om det kan låta enkelt i princip, utvecklar faktiskt det nödvändiga membranet med sina 100 nanometer breda porer, som görs med en metod som kallas interferenslitografi, och att få hela systemet att fungera korrekt tog två års hårt arbete, hon säger.

Övergripande, resultaten hittills "överensstämmer med vad teorin förutspår, "Lu säger, men det är fortfarande viktigt att ha den bekräftelsen. "Medan teorier har förutsagt saker, det har inte funnits några experimentella bevis på att teorierna stämmer, "Tillägger Wang.

De nya resultaten ger också vägledning för ingenjörer som designar nya avdunstningsbaserade system, tillhandahålla information om både valet av de bästa arbetsvätskorna för en given situation, samt villkoren för tryck och avlägsnande av omgivande luft från systemet. "Genom att använda detta system som en riktlinje kan du typ av optimera arbetsförhållandena för vissa typer av applikationer, "Säger Lu.

Detta team "gjorde en rad eleganta experiment för att bekräfta teoretiska förutsägelser, "säger Joel Plawsky, professor i kemisk och biologisk teknik vid

RPI, som inte var inblandad i detta arbete. "Apparaten var unik och noggrant svår att tillverka och använda. Data var exceptionella i sin kvalitet och detalj. När som helst kan man kollapsa en stor spridning av data genom att utveckla en dimensionslös formulering, " det är, en som gäller lika bra under en mängd olika förhållanden, "som representerar ett stort framsteg för teknik, " han säger.

Plågar till, "Det finns många frågor som detta arbete öppnar om beteendet hos olika vätskor och vätskeblandningar. Man kan tänka sig många års uppföljningsarbete."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.