A nucleação é um fenômeno onipresente que governa a formação de gotículas e bolhas em sistemas usados ​​para condensação, dessalinização, rachadura da água, crescimento de cristal, e muitos outros processos industriais importantes. Agora, pela primeira vez, uma nova técnica de microscopia desenvolvida no MIT e em outros lugares permite que o processo seja observado diretamente em detalhes, o que poderia facilitar o design de melhorias, superfícies mais eficientes para uma variedade de tais processos.

A inovação usa equipamento de microscópio eletrônico de varredura convencional, mas adiciona uma nova técnica de processamento que pode aumentar a sensibilidade geral em até dez vezes e também melhora o contraste e a resolução. Usando essa abordagem, os pesquisadores foram capazes de observar diretamente a distribuição espacial dos sítios de nucleação em uma superfície e rastrear como isso mudou ao longo do tempo. A equipe então usou essas informações para obter uma descrição matemática precisa do processo e das variáveis ​​que o controlam.

A nova técnica pode ser aplicada a uma ampla variedade de áreas de pesquisa. É descrito hoje no jornal Cell Reports Physical Science , em um artigo do estudante de graduação do MIT Lenan Zhang; o cientista pesquisador visitante Ryuichi Iwata; a professora de engenharia mecânica e chefe de departamento Evelyn Wang; e outros nove no MIT, a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e a Universidade Jiao Tong de Xangai.

"Uma oportunidade realmente poderosa"

Quando as gotas se condensam em uma superfície plana, como nos condensadores que fazem o ciclo do vapor em usinas de energia elétrica de volta à água, cada gota requer um local de nucleação inicial, a partir do qual ele se desenvolve. A formação desses locais de nucleação é aleatória e imprevisível, portanto, o projeto de tais sistemas depende de estimativas estatísticas de sua distribuição. De acordo com as novas descobertas, Contudo, o método estatístico usado para esses cálculos há décadas está incorreto, e um diferente deve ser usado.

As imagens de alta resolução do processo de nucleação, junto com os modelos matemáticos que a equipe desenvolveu, tornam possível descrever a distribuição dos sítios de nucleação em termos quantitativos estritos. "A razão pela qual isso é tão importante, "Wang diz, "é porque a nucleação acontece em quase tudo, em muitos processos físicos, seja natural ou em materiais e sistemas de engenharia. Por causa disso, Acho que entender isso mais fundamentalmente é uma oportunidade realmente poderosa. "

O processo que eles usaram, chamado microscopia eletrônica de varredura ambiental aprimorada de fase (p-ESEM), torna possível perscrutar através da névoa eletrônica causada por uma nuvem de elétrons que se espalham das moléculas de gás em movimento sobre a superfície que está sendo visualizada. ESEM convencional "pode ​​gerar imagens de uma amostra muito ampla de material, que é muito único em comparação com um microscópio eletrônico típico, mas a resolução é pobre "por causa desse espalhamento de elétrons, que gera ruído aleatório, Zhang diz.

Aproveitando o fato de que os elétrons podem ser descritos como partículas ou ondas, os pesquisadores descobriram uma maneira de usar a fase das ondas de elétrons, e os atrasos nessa fase gerados quando o elétron atinge algo. Esta informação de atraso de fase é extremamente sensível às menores perturbações, até a escala nanométrica, Zhang diz, e a técnica que desenvolveram torna possível usar essas relações elétron-fase da onda para reconstruir uma imagem mais detalhada.

Usando este método, ele diz, "podemos obter um aprimoramento muito melhor para o contraste da imagem, e então somos capazes de reconstruir ou obter imagens diretamente dos elétrons em alguns mícrons ou mesmo em uma escala submicrônica. Isso nos permite ver o processo de nucleação e a distribuição do grande número de sítios de nucleação. "

O avanço permitiu que a equipe estudasse problemas fundamentais sobre o processo de nucleação, como a diferença entre a densidade do site e a distância mais próxima entre os sites. Acontece que as estimativas dessa relação que foram usadas por engenheiros por mais de meio século estavam incorretas. Eles foram baseados em um relacionamento chamado distribuição de Poisson, para a densidade do site e a função do vizinho mais próximo, quando na verdade o novo trabalho mostra que uma relação diferente, a distribuição de Rayleigh, descreve com mais precisão a relação do vizinho mais próximo.

Zhang explica que isso é importante, porque "a nucleação é um comportamento muito microscópico, mas a distribuição dos locais de nucleação nesta escala microscópica realmente determina o comportamento macroscópico do sistema. "Por exemplo, em condensação e ebulição, determina o coeficiente de transferência de calor, e em ferver até mesmo o fluxo de calor crítico, "a medida que determina o quão quente um sistema de água fervente pode ficar antes de desencadear uma falha catastrófica.

As descobertas também dizem respeito a muito mais do que apenas condensação de água. "Nossa descoberta sobre a distribuição do local de nucleação é universal, "Iwata diz." Pode ser aplicado a uma variedade de sistemas envolvendo um processo de nucleação, como divisão de água e crescimento de material. "Por exemplo, ele diz, em sistemas de divisão de água, que pode ser usado para gerar combustível na forma de hidrogênio a partir da eletricidade de fontes renováveis. A dinâmica da formação de bolhas em tais sistemas é a chave para seu desempenho geral, e é determinado em grande parte pelo processo de nucleação.

Iwata acrescenta que "parece que a divisão da água e a condensação são fenômenos muito diferentes, mas encontramos uma lei universal entre eles. Então, estamos muito animados com isso. "

Aplicações diversas

Muitos outros fenômenos também dependem da nucleação, incluindo processos como o crescimento de filmes cristalinos, incluindo diamante, através das superfícies. Esses processos são cada vez mais importantes em uma ampla variedade de aplicações de alta tecnologia.

Além da nucleação, a nova técnica p-ESEM que a equipe desenvolveu também pode ser usada para sondar uma variedade de processos físicos diferentes, dizem os pesquisadores. Zhang diz que poderia ser aplicado também a "processos eletroquímicos, física do polímero, e biomateriais, porque todos esses tipos de materiais são amplamente estudados usando o ESEM convencional. Ainda, usando o p-ESEM, podemos definitivamente obter um desempenho muito melhor devido à alta sensibilidade intrínseca "deste sistema.

O sistema p-ESEM, Zhang diz, melhorando o contraste e a sensibilidade, pode melhorar a intensidade do sinal em relação ao ruído de fundo em até 10 vezes.