p Considere a superfície da água mais próxima:um copo meio cheio em sua mesa, uma poça fora de sua janela, ou um lago do outro lado da cidade. Todas essas superfícies representam interfaces líquido-vapor, onde o líquido encontra o ar. Moléculas de vapor d'água colidem constantemente com essas superfícies líquidas:algumas passam pela superfície e se condensam, enquanto outros simplesmente rebatem. p A probabilidade de que uma molécula de vapor salte, ou refletir, fora de uma superfície líquida é uma propriedade fundamental da água, muito parecido com seu ponto de ebulição. E ainda, no último século, tem havido pouco consenso sobre a probabilidade de uma molécula de água ricochetear na superfície do líquido.

p “Quando uma molécula de vapor de água atinge uma superfície, ele vai imediatamente para o líquido? Ou sai e bate de novo e de novo, então, eventualmente, entrar? ", diz Rohit Karnik, professor associado de engenharia mecânica no MIT. "Há muita controvérsia, e não há uma maneira fácil de medir essa propriedade básica. "

p Conhecer essa probabilidade de salto daria aos cientistas uma compreensão essencial de uma variedade de aplicações que envolvem o fluxo de água:o movimento da água através do solo, a formação de nuvens e nevoeiro, e a eficiência dos dispositivos de filtragem de água.

p Esta última aplicação estimulou Karnik e seus colegas - Jongho Lee, um estudante de pós-graduação do MIT em engenharia mecânica, e Tahar Laoui, professor da Universidade King Fahd de Petróleo e Minerais (KFUPM), na Arábia Saudita - para estudar a probabilidade de a água saltar. O grupo está desenvolvendo membranas para dessalinização de água; o sucesso desta tecnologia depende, em parte, na capacidade do vapor de água de fluir através da membrana e condensar no outro lado como água purificada.

p Ao observar o transporte de água através de membranas com poros de vários tamanhos, o grupo mediu a probabilidade de uma molécula de água se condensar ou ricochetear em uma superfície líquida em nanoescala. Os resultados, publicado em Nature Nanotechnology , poderia ajudar a projetar membranas de dessalinização mais eficientes, e também pode expandir a compreensão dos cientistas sobre o fluxo de água em nanoescala.

p "Onde quer que você tenha uma superfície de vapor líquido, vai haver evaporação e condensação, "Karnik diz." Portanto, essa probabilidade é bastante universal, uma vez que define o que as moléculas de água fazem em todas essas superfícies. "

p Ficando no caminho do fluxo

p Uma das maneiras mais simples de remover o sal da água é ferver e evaporar a água - separando-a dos sais, em seguida, condensando-o como água purificada. Mas este método consome muita energia, exigindo muito calor.

p O grupo de Karnik desenvolveu uma membrana de dessalinização que imita o processo de fervura, mas sem a necessidade de calor. A membrana fina como uma navalha contém poros em nanoescala que, visto de lado, assemelham-se a pequenos tubos. Metade de cada tubo é hidrofílica, ou atração de água, enquanto a outra metade é hidrofóbica, ou repelente de água.

p À medida que a água flui do lado hidrofílico para o hidrofóbico, passa de líquido a vapor na interface líquido-vapor, simulando a transição da água durante o processo de fervura. As moléculas de vapor que viajam para a solução líquida na outra extremidade do nanopore podem se condensar nele ou ricochetear nele. A membrana permite taxas de fluxo de água mais altas se mais moléculas se condensarem, em vez de saltar.

p Projetar uma membrana de dessalinização eficiente requer uma compreensão do que pode impedir que a água flua através dela. No caso da membrana dos pesquisadores, eles descobriram que a resistência ao fluxo de água veio de dois fatores:o comprimento dos nanoporos na membrana e a probabilidade de uma molécula saltar, em vez de condensar.

p Em experimentos com membranas cujos nanoporos variaram de comprimento, a equipe observou que o maior comprimento dos poros era o principal fator que impedia o fluxo de água, ou seja, quanto maior a distância que uma molécula tem que percorrer, é menos provável que atravesse a membrana. À medida que os poros ficam mais curtos, aproximando as duas soluções líquidas, este efeito diminui, e as moléculas de água têm uma chance melhor de passar.

p Mas com um certo comprimento, os pesquisadores descobriram que a resistência ao fluxo de água vem principalmente da probabilidade de uma molécula de saltar. Em outras palavras, em poros muito curtos, o fluxo de água é restringido pela chance das moléculas de água ricocheteando na superfície do líquido, em vez de viajarem através dos nanoporos. Quando os pesquisadores quantificaram esse efeito, eles descobriram que apenas 20 a 30 por cento das moléculas de vapor de água que atingem a superfície do líquido realmente condensam, com a maioria saltando para longe.

p Um design sem salto

p Eles também descobriram que a probabilidade de salto de uma molécula depende da temperatura:64 por cento das moléculas irão saltar a 90 graus Fahrenheit, enquanto 82 por cento das moléculas saltarão a 140 graus. O grupo mapeou a probabilidade de a água saltar em relação à temperatura, produzindo um gráfico que Karnik diz que os pesquisadores podem se referir na computação de fluxos em nanoescala em muitos sistemas.

p "Esta probabilidade nos diz como diferentes estruturas de poros irão se comportar em termos de fluxo, "Karnik diz." Quão curto temos para fazer o poro e que taxas de fluxo obteremos? Este parâmetro impacta diretamente as considerações de design de nossa membrana de filtração. "

p Lee diz que saber a probabilidade de salto da água também pode ajudar a controlar os níveis de umidade nas células de combustível.

p "Um dos problemas com as células a combustível de membrana de troca de prótons é, depois que o hidrogênio e o oxigênio reagem, a água é gerada. Mas se você tem controle insuficiente do fluxo de água, você inundará a própria célula de combustível, "Lee diz." Esse tipo de célula de combustível envolve membranas e estruturas em nanoescala. Se você entende o comportamento correto da condensação ou evaporação da água em nanoescala, você pode controlar a umidade da célula de combustível e manter um bom desempenho o tempo todo. "