Tänk på närmaste vattenyta:ett halvfullt glas på ditt skrivbord, en pöl utanför ditt fönster, eller en sjö tvärs över stan. Alla dessa ytor representerar vätske-ånga-gränssnitt, där vätska möter luft. Molekyler av vattenånga kolliderar ständigt med dessa vätskeytor:Vissa tar sig genom ytan och kondenserar, medan andra helt enkelt studsar av.
Sannolikheten att en ångmolekyl kommer att studsa, eller reflektera, av en vätskeyta är en grundläggande egenskap hos vatten, ungefär som dess kokpunkt. Och ändå, under förra seklet, det har varit lite enighet om sannolikheten att en vattenmolekyl kommer att studsa bort från vätskeytan.
"När en vattenångmolekyl träffar en yta, går det direkt i vätskan? Eller lossnar den och slår igen och igen, gå in så småningom?" säger Rohit Karnik, en docent i maskinteknik vid MIT. "Det finns mycket kontrovers, och det finns inget enkelt sätt att mäta denna grundläggande egenskap."
Att känna till denna studsande sannolikhet skulle ge forskare en viktig förståelse för en mängd olika tillämpningar som involverar vattenflöde:vattnets rörelse genom marken, bildandet av moln och dimma, och effektiviteten hos vattenfiltreringsanordningar.
Denna sista ansökan sporrade Karnik och hans kollegor – Jongho Lee, en MIT doktorand i maskinteknik, och Tahar Laoui, en professor vid King Fahd University of Petroleum and Minerals (KFUPM) i Saudiarabien – för att studera vattens sannolikhet att studsa. Gruppen utvecklar membran för vattenavsaltning; denna tekniks framgång beror på, till viss del, på vattenångans förmåga att strömma genom membranet och kondensera på andra sidan som renat vatten.
Genom att observera vattentransport genom membran med porer av olika storlekar, gruppen har mätt en vattenmolekyls sannolikhet att kondensera eller studsa av en vätskeyta på nanoskala. Resultaten, publiceras i Naturens nanoteknik , kan hjälpa till att designa mer effektiva avsaltningsmembran, och kan också utöka forskarnas förståelse av vattenflödet på nanoskala.
"Varhelst du har en vätska-ångyta, det kommer att bli avdunstning och kondens, " säger Karnik. "Så den här sannolikheten är ganska universell, eftersom det definierar vad vattenmolekyler gör på alla sådana ytor."
Står i vägen för flow
Ett av de enklaste sätten att ta bort salt från vatten är genom att koka och förånga vattnet – separera det från salter, sedan kondensera det som renat vatten. Men denna metod är energikrävande, kräver mycket värme.
Karniks grupp utvecklade ett avsaltningsmembran som efterliknar kokningsprocessen, men utan behov av värme. Det rakbladstunna membranet innehåller porer i nanoskala som, sett från sidan, likna små rör. Hälften av varje rör är hydrofilt, eller vattenattraherande, medan den andra hälften är hydrofob, eller vattenavvisande.
När vatten rinner från den hydrofila till den hydrofoba sidan, det övergår från vätska till ånga vid vätske-ånga-gränsytan, simulera vattnets övergång under kokningsprocessen. Ångmolekyler som reser till den flytande lösningen i andra änden av nanoporen kan antingen kondensera in i den eller studsa av den. Membranet tillåter högre vattenflödeshastigheter om fler molekyler kondenserar, snarare än att studsa.
Att designa ett effektivt avsaltningsmembran kräver förståelse för vad som kan hindra vatten från att flöda genom det. När det gäller forskarnas membran, de fann att motståndet mot vattenflöde kom från två faktorer:längden på nanoporerna i membranet och sannolikheten att en molekyl skulle studsa, snarare än att kondensera.
I experiment med membran vars nanoporer varierade i längd, teamet observerade att större porlängd var den huvudsakliga faktorn som hindrade vattenflödet – det vill säga, ju längre sträcka en molekyl måste färdas, desto mindre sannolikt är det att korsa membranet. När porerna blir kortare, föra de två flytande lösningarna närmare varandra, denna effekt avtar, och vattenmolekyler har en bättre chans att ta sig igenom.
Men vid en viss längd, forskarna fann att motståndet mot vattenflöde främst kommer från en molekyls sannolikhet att studsa. Med andra ord, i mycket korta porer, vattenflödet begränsas av risken för att vattenmolekyler studsar från vätskeytan, snarare än att de reser över nanoporerna. När forskarna kvantifierade denna effekt, de fann att endast 20 till 30 procent av vattenångmolekylerna som träffar vätskeytan faktiskt kondenserar, med majoriteten som studsar iväg.
En design utan studs
De fann också att en molekyls sannolikhet för att studsa beror på temperaturen:64 procent av molekylerna kommer att studsa vid 90 grader Fahrenheit, medan 82 procent av molekylerna kommer att studsa vid 140 grader. Gruppen kartlade vattnets sannolikhet att studsa i förhållande till temperatur, producerar en graf som Karnik säger att forskare kan referera till vid beräkning av flöden i nanoskala i många system.
"Denna sannolikhet berättar för oss hur olika porstrukturer kommer att fungera när det gäller flöde, " Karnik säger. "Hur kort måste vi göra porerna och vilka flödeshastigheter kommer vi att få? Denna parameter påverkar direkt designövervägandena för vårt filtreringsmembran."
Lee säger att att känna till sannolikheten för att vatten studsar kan också hjälpa till att kontrollera fuktnivåerna i bränsleceller.
"Ett av problemen med protonutbytesmembranbränsleceller är, efter att väte och syre reagerat, vatten genereras. Men om du har dålig kontroll över vattenflödet, du kommer att översvämma själva bränslecellen, " säger Lee. "Den sortens bränslecell involverar membran och strukturer i nanoskala. Om du förstår det korrekta beteendet av vattenkondensering eller avdunstning på nanoskala, du kan kontrollera fuktigheten i bränslecellen och bibehålla bra prestanda hela tiden."
