É um processo tão fundamental para a vida cotidiana - em tudo, desde sua cafeteira matinal até a enorme usina de energia que fornece sua eletricidade - que muitas vezes é considerado um dado adquirido:a maneira como um líquido evapora em uma superfície quente.

Ainda assim, surpreendentemente, este processo básico só agora, pela primeira vez, foi analisado em detalhes em um nível molecular, em uma nova análise do pós-doutorado do MIT Zhengmao Lu, professora de engenharia mecânica e chefe de departamento Evelyn Wang, e três outros no MIT e na Universidade de Tóquio. O estudo aparece na revista Nature Communications .

"Acontece que, para o processo de mudança de fase líquido para vapor, uma compreensão fundamental disso ainda é relativamente limitada, "Wang explica." Embora muitas teorias tenham sido desenvolvidas, na verdade, não há evidências experimentais dos limites fundamentais da física da evaporação. "

É um processo importante de entender porque é muito onipresente. "A evaporação é prevalente em todos os tipos de diferentes tipos de sistemas, como geração de vapor para usinas de energia, tecnologias de dessalinização de água, destilação por membrana, e gerenciamento térmico, como tubos de calor, por exemplo, "Wang diz. Otimizar a eficiência de tais processos requer uma compreensão clara da dinâmica em jogo, mas, em muitos casos, os engenheiros contam com aproximações ou observações empíricas para orientar suas escolhas de materiais e condições operacionais.

Ao usar uma nova técnica para controlar e detectar temperaturas na superfície de um líquido em evaporação, os pesquisadores foram capazes de identificar um conjunto de características universais envolvendo o tempo, mudanças de pressão e temperatura que determinam os detalhes do processo de evaporação. No processo, eles descobriram que o fator chave para determinar a rapidez com que o líquido poderia evaporar não era a diferença de temperatura entre a superfície e o líquido, mas sim a diferença de pressão entre a superfície do líquido e o vapor ambiente.

A "questão bastante simples" de como um líquido evapora a uma determinada temperatura e pressão, permaneceu sem resposta, apesar de muitas décadas de estudo, diz Pawel Keblinski, professor e chefe do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), que não estava envolvido neste trabalho. "Enquanto os teóricos especulavam por mais de um século, experimento foi de pouca ajuda, como ver a interface líquido-vapor evaporando e saber a temperatura e pressão perto das interfaces é extremamente desafiador, " ele diz.

Este novo trabalho, Keblinski diz, "nos aproxima da verdade." Junto com outras novas técnicas de observação desenvolvidas por outros, os novos insights "nos colocarão no caminho para finalmente quantificar o processo de evaporação após um século de esforços, " ele diz.

O sucesso dos pesquisadores foi em parte resultado da eliminação de outros fatores que complicam a análise. Por exemplo, a evaporação do líquido no ar é fortemente afetada pelas propriedades isolantes do próprio ar, então, para esses experimentos, o processo foi observado em uma câmara com apenas o líquido e o vapor presentes, isolado do ar circundante. Então, a fim de sondar os efeitos bem no limite entre o líquido e o vapor, os pesquisadores usaram uma membrana muito fina crivada de pequenos poros para confinar a água, aquecê-lo, e medir sua temperatura.

Essa membrana, apenas 200 nanômetros (bilionésimos de metro) de espessura, feito de nitreto de silício e revestido com ouro, carrega água através de seus poros por ação capilar, e é aquecido eletricamente para fazer com que a água evapore. Então, "também usamos essa membrana como sensor, para sentir a temperatura da superfície de evaporação de uma forma precisa e não invasiva, "Lu diz.

O revestimento de ouro da membrana é crucial, ele adiciona. A resistência elétrica do ouro varia diretamente em função da temperatura, então, calibrando cuidadosamente o sistema antes do experimento, eles são capazes de obter uma leitura direta da temperatura no ponto exato onde a evaporação está ocorrendo, momento por momento, simplesmente lendo a resistência da membrana.

Os dados que coletaram "sugerem que a força motriz real ou potencial motriz neste processo não é a diferença de temperatura, mas na verdade a diferença de pressão, "Diz Wang." Isso é o que torna tudo agora alinhado a esta curva realmente agradável, que combina bem com o que a teoria prevê, " ela diz.

Embora possa parecer simples em princípio, realmente desenvolvendo a membrana necessária com seus poros de 100 nanômetros de largura, que são feitos usando um método chamado litografia de interferência, e fazer com que todo o sistema funcionasse corretamente levou dois anos de trabalho árduo, ela diz.

Geral, as descobertas até agora "são consistentes com o que a teoria prevê, "Lu diz, mas ainda é importante ter essa confirmação. "Embora as teorias tenham previsto coisas, não houve nenhuma evidência experimental de que as teorias estão corretas, "Wang acrescenta.

As novas descobertas também fornecem orientação para engenheiros que projetam novos sistemas baseados em evaporação, fornecer informações sobre a seleção dos melhores fluidos de trabalho para uma determinada situação, bem como as condições de pressão e retirada do ar ambiente do sistema. "Usando este sistema como uma diretriz, você pode otimizar as condições de trabalho para certos tipos de aplicações, "Lu diz.

Esta equipe "fez uma série de experimentos elegantes projetados para confirmar as previsões teóricas, "diz Joel Plawsky, professor de engenharia química e biológica em

RPI, que não estava envolvido neste trabalho. "O aparelho era único e extremamente difícil de fabricar e operar. Os dados eram excepcionais em sua qualidade e detalhes. A qualquer momento, é possível recolher uma grande quantidade de dados desenvolvendo uma formulação adimensional, " isso é, aquele que se aplica igualmente bem em uma ampla variedade de condições, "isso representa um grande avanço para a engenharia, " ele diz.

Plawsly adiciona, "Existem muitas questões que este trabalho abre sobre o comportamento de diferentes fluidos e de misturas de fluidos. Pode-se imaginar muitos anos de trabalho subsequente."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.