Kärnbildning är ett allestädes närvarande fenomen som styr bildandet av både droppar och bubblor i system som används för kondensation, avsaltning, vattensplittring, kristalltillväxt, och många andra viktiga industriella processer. Nu, för första gången, en ny mikroskopiteknik utvecklad vid MIT och på andra ställen gör att processen kan observeras direkt i detalj, som skulle kunna underlätta utformningen av förbättrade, effektivare ytor för en mängd olika sådana processer.

Innovationen använder konventionell utrustning för skanningselektronmikroskop men lägger till en ny bearbetningsteknik som kan öka den övergripande känsligheten med så mycket som tiofaldigt och även förbättra kontrast och upplösning. Genom att använda detta tillvägagångssätt, forskarna kunde direkt observera den rumsliga fördelningen av kärnbildningsställen på en yta och spåra hur det förändrades över tiden. Teamet använde sedan denna information för att ta fram en exakt matematisk beskrivning av processen och de variabler som styr den.

Den nya tekniken skulle potentiellt kunna tillämpas på en mängd olika forskningsområden. Det beskrivs idag i tidningen Cellrapporter Fysisk vetenskap , i en uppsats av MIT doktorand Lenan Zhang; gästforskare Ryuichi Iwata; professor i maskinteknik och avdelningschef Evelyn Wang; och nio andra vid MIT, University of Illinois i Urbana-Champaign, och Shanghai Jiao Tong University.

"Ett riktigt kraftfullt tillfälle"

När droppar kondenserar på en plan yta, som på kondensorerna som cirkulerar ångan i elkraftverk tillbaka till vattnet, varje droppe kräver ett initialt kärnbildningsställe, som den bygger upp från. Bildandet av dessa kärnbildningsställen är slumpmässigt och oförutsägbart, så utformningen av sådana system bygger på statistiska uppskattningar av deras fördelning. Enligt de nya rönen, dock, den statistiska metoden som har använts för dessa beräkningar i årtionden är felaktig, och en annan bör användas istället.

De högupplösta bilderna av kärnbildningsprocessen, tillsammans med matematiska modeller som teamet utvecklat, göra det möjligt att beskriva fördelningen av kärnbildningsställen i strikta kvantitativa termer. "Anledningen till att detta är så viktigt, "Wang säger, "är för att kärnbildning i stort sett sker i allt, i många fysiska processer, oavsett om det är naturligt eller i konstruerade material och system. På grund av det, Jag tror att förstå detta mer i grunden är en riktigt kraftfull möjlighet. "

Processen de använde, kallad fasförstärkt miljösvepelektronmikroskopi (p-ESEM), gör det möjligt att titta genom den elektroniska dimman som orsakas av ett moln av elektroner som sprids från rörliga gasmolekyler över ytan som avbildas. Konventionell ESEM "kan avbilda ett mycket brett urval av material, vilket är mycket unikt jämfört med ett typiskt elektronmikroskop, men upplösningen är dålig" på grund av denna elektronspridning, som genererar slumpmässigt brus, säger Zhang.

Att dra nytta av det faktum att elektroner kan beskrivas som antingen partiklar eller vågor, forskarna hittade ett sätt att använda fasen av elektronvågorna, och fördröjningarna i den fasen som genereras när elektronen träffar något. Denna fasfördröjningsinformation är extremt känslig för de minsta störningar, ner till nanometerskalan, Zhang säger, och tekniken som de utvecklat gör det möjligt att använda dessa elektron-vågfasrelationer för att rekonstruera en mer detaljerad bild.

Genom att använda denna metod, han säger, "vi kan få mycket bättre förbättring för bildkontrasten, och då är vi kapabla att rekonstruera eller direkt avbilda elektronerna på några mikron eller till och med en submikronskala. Detta gör att vi kan se kärnbildningsprocessen och fördelningen av det stora antalet kärnbildningsställen. "

Framsteg gjorde det möjligt för teamet att studera grundläggande problem kring kärnbildningsprocessen, såsom skillnaden mellan platstätheten och det närmaste avståndet mellan platser. Det visar sig att uppskattningar av det förhållandet som har använts av ingenjörer i över ett halvt sekel har varit felaktiga. De har varit baserade på ett förhållande som kallas Poisson-fördelning, för både platsdensiteten och funktionen närmaste granne, när det nya verket faktiskt visar att ett annat förhållande, Rayleigh-distributionen, beskriver närmare förhållandet närmaste granne.

Zhang förklarar att detta är viktigt, eftersom "kärnbildning är ett mycket mikroskopiskt beteende, men fördelningen av kärnbildningsställen på denna mikroskopiska skala bestämmer faktiskt systemets makroskopiska beteende." Till exempel, vid kondensation och kokning, den bestämmer värmeöverföringskoefficienten, och vid kokning till och med det kritiska värmeflödet, "åtgärden som avgör hur varmt ett kokande vattensystem kan bli innan det utlöser ett katastrofalt misslyckande.

Fynden relaterar också till mycket mer än bara vattenkondensering. "Vår upptäckt om distributionen av kärnbildningsställen är universell, " Iwata säger. "Det kan tillämpas på en mängd olika system som involverar en kärnbildningsprocess, såsom vattensplittring och materialtillväxt. "Till exempel, han säger, i vattenklyvningssystem, som kan användas för att generera bränsle i form av väte ur el från förnybara källor. Dynamiken i bildandet av bubblor i sådana system är nyckeln till deras övergripande prestanda, och bestäms till stor del av kärnbildningsprocessen.

Iwata tillägger att "det låter som att vattenklyvning och kondens är väldigt olika fenomen, men vi fann en universell lag bland dem. Så vi är så exalterade över det."

Olika applikationer

Många andra fenomen är också beroende av kärnbildning, inklusive sådana processer som tillväxt av kristallina filmer, inklusive diamant, över ytor. Sådana processer blir allt viktigare i en mängd olika högteknologiska tillämpningar.

Förutom kärnbildning, den nya p-ESEM-tekniken som teamet utvecklade kan också användas för att undersöka en mängd olika fysiska processer, säger forskarna. Zhang säger att det också kan tillämpas på "elektrokemiska processer, polymerfysik, och biomaterial, eftersom alla dessa typer av material studeras brett med konventionella ESEM. Än, genom att använda p-ESEM, vi kan definitivt få en mycket bättre prestanda på grund av systemets inneboende höga känslighet ".

p-ESEM-systemet, Zhang säger, genom att förbättra kontrasten och känsligheten, kan förbättra signalens intensitet i förhållande till bakgrundsbrus med upp till 10 gånger.