Автор AZoNano 3 декабря 2020 г.

Зарождение зародышей – это повсеместное явление, которое определяет образование как капель, так и пузырьков в системах, используемых для конденсации, опреснения, расщепления воды, роста кристаллов и многих других важных промышленных процессов.

Теперь, впервые новая методика микроскопии, разработанная в Массачусетском технологическом институте и других местах, позволяет непосредственно наблюдать за процессом в деталях, что может облегчить разработку улучшенных, более эффективных поверхностей для множества таких процессов.

В нововведении используется обычное оборудование для растрового электронного микроскопа, но добавлена ​​новая технология обработки, которая может увеличить общую чувствительность в десять раз, а также улучшить контраст и разрешение.

Используя этот подход, исследователи смогли непосредственно наблюдать пространственное распределение центров зародышеобразования на поверхности и отслеживать, как это менялось с течением времени. Затем группа использовала эту информацию для получения точного математического описания процесса и переменных, управляющих им.

Новый метод потенциально может быть применен в самых разных областях исследований. Он описан сегодня в журнале Cell Reports Physical Science в статье аспиранта Массачусетского технологического института Ленан Чжан; приглашенный ученый-исследователь Рюичи Ивата; профессор машиностроения и заведующая кафедрой Эвелин Ван; и еще девять человек из Массачусетского технологического института, Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн и Шанхайского университета Цзяо Тонг

«Действительно мощная возможность»

Когда капли конденсируются на плоской поверхности, например, на конденсаторах, которые возвращают пар в электростанциях обратно в воду, каждой капле требуется начальное место зародышеобразования, из которого она формируется. Образование этих центров зародышеобразования является случайным и непредсказуемым, поэтому при разработке таких систем используются статистические оценки их распределения.

Однако, согласно новым открытиям, статистический метод, который использовался для этих расчетов на протяжении десятилетий, неверен, и вместо него следует использовать другой.

Изображения с высоким разрешением процесса нуклеации, наряду с математическими моделями, разработанными командой, позволяют описать распределение центров нуклеации в строгих количественных терминах.

«Причина, по которой это так важно, – говорит Ван, -« потому что зародышеобразование происходит практически во всем, во многих физических процессах, будь то естественные или созданные в материалах и системах. . Поэтому я думаю, что более глубокое понимание этого – действительно мощная возможность ».

Используемый ими процесс, называемый сканирующей электронной микроскопией окружающей среды с фазовым усилением (p-ESEM), позволяет наблюдать сквозь электронный туман, вызванный облаком электронов, рассеиваемых движущимися молекулами газа по изображаемой поверхности. Обычный ESEM «может отображать очень широкий образец материала, который очень уникален по сравнению с обычным электронным микроскопом, но имеет низкое разрешение» из-за этого электронного рассеяния, которое генерирует случайный шум, – говорит Чжан.

Воспользовавшись тем фактом, что электроны можно описать как частицы или волны, исследователи нашли способ использовать фазу электронных волн и задержки в этой фазе, возникающие, когда электрон что-то ударяет.

Эта информация о фазовой задержке чрезвычайно чувствительна к малейшим возмущениям вплоть до нанометрового масштаба, говорит Чжан, и разработанная ими методика позволяет использовать эти электронно-волновые фазовые отношения для восстановления более детального изображения.

Используя этот метод, он говорит: «мы можем значительно улучшить контраст изображения, и тогда мы сможем реконструировать или напрямую отображать электроны в масштабе нескольких микрон или даже субмикронного масштаба. Это позволяет нам, чтобы увидеть процесс зародышеобразования и распределение огромного количества центров зародышеобразования ».

Прогресс позволил группе исследовать фундаментальные проблемы процесса зародышеобразования, такие как разница между плотностью центров и ближайшим расстоянием между ними. Оказывается, оценки этого соотношения, которые использовались инженерами более полувека, оказались неверными.

Они были основаны на соотношении, называемом распределением Пуассона, как для плотности узлов, так и для функции ближайшего соседа, хотя на самом деле новая работа показывает, что другое соотношение, распределение Рэлея, более точно описывает ближайшего соседа. отношения.

Чжан объясняет, что это важно, потому что «зародышеобразование – очень микроскопическое поведение, но распределение центров зародышеобразования в этом микроскопическом масштабе фактически определяет макроскопическое поведение системы». Например, при конденсации а при кипении – коэффициент теплопередачи, а при кипении – даже критический тепловой поток, «мера, определяющая, насколько горячей может стать система с кипящей водой до того, как произойдет катастрофический отказ.

Полученные данные относятся не только к конденсации воды. «Наш вывод о распределении сайтов зародышеобразования универсален», – говорит Ивата . «Это может быть применено к множеству систем, включающих процесс зародышеобразования, например, расщепление воды и рост материала».

Например, говорит он, в системах разделения воды, которые можно использовать для производства топлива в виде водорода из электроэнергии из возобновляемых источников.

Динамика образования пузырьков в таких системах является ключом к их общим характеристикам и определяется в значительной степени процессом зародышеобразования.

Ивата добавляет, что "похоже, что расщепление и конденсация воды – очень разные явления, но мы обнаружили среди них универсальный закон. Поэтому мы так взволнованы этим".

Разнообразные приложения

Многие другие явления также зависят от зародышеобразования, включая такие процессы, как рост кристаллических пленок, включая алмаз, по поверхности. Такие процессы становятся все более важными в широком спектре высокотехнологичных приложений.

По словам исследователей, помимо зародышеобразования, новый метод p-ESEM, разработанный группой, также может быть использован для исследования множества различных физических процессов.

Чжан говорит, что это может быть применено также к «электрохимическим процессам, физике полимеров и биоматериалам, потому что все эти виды материалов широко изучаются с использованием обычного ESEM. Тем не менее, используя p-ESEM, мы можем определенно получить гораздо лучшую производительность благодаря присущей ей высокой чувствительности » этой системы.

Система p-ESEM, говорит Чжан, за счет улучшения контрастности и чувствительности может улучшить интенсивность сигнала по сравнению с фоновым шумом до 10 раз.

В исследовательскую группу входили Линь Чжао, Шуай Гун, Чжэнмао Лу, Ян Чжун, Самуэль Круз и Кайл Уилке из Массачусетского технологического института; Цзиньлун Чжу из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн; и Чжэньюань Сюй и Пинг Ченг из Шанхайского университета Цзяо Тонг в Китае. Работа была поддержана Альянсом исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института, Центральными научно-исследовательскими лабораториями Toyota, а также Национальным научным фондом Китая и Национальным научно-техническим проектом.

Источник: https://www.mit.edu/