2020年12月3
成核是一个普遍存在的现象,控制液滴的形成和泡沫系统用于冷凝、海水淡化、水分裂、晶体生长和许多其他重要的工业过程。现在,第一次,一个新的显微镜技术开发了麻省理工学院和其他地方允许过程直接观察到的细节,这将促进改善的设计,更有效的表面等多种过程。
许多不同的过程,包括沸腾、结晶和水分开,由表面成核站点的分布形式。图片提供:由研究人员
创新使用传统的扫描电子显微镜设备,但增加了一个新的处理技术,可以提高整体灵敏度高达十倍也可以提高对比度和分辨率。app亚博体育使用这种方法,研究人员能够直接观察到的空间分布在表面成核站点和跟踪如何随着时间的推移改变。团队使用这些信息来获得一个精确的数学描述的过程和控制的变量。
这项新技术可以应用于各种研究领域。这是今天在《华尔街日报》描述细胞物理科学报告亚博老虎机网登录一篇论文中,由麻省理工学院研究生Lenan张;访问研究科学家Ryuichi岩田聪;机械工程教授和系主任Evelyn王;麻省理工学院的9人,伊利诺伊大学香槟分校和上海交通大学。
“一个真正强大的机会”
当水滴凝结在平坦的表面,如在冷凝器循环蒸汽发电厂回到水里,每个水滴都需要一个初始成核站点,它还是建立起来了。这些成核的形成网站是随机的和不可预测的,所以这样的系统的设计依赖于统计估计的分布。根据新的发现,然而,使用的统计方法,几十年来这些计算不正确,应该使用一个不同的。
成核过程的高分辨率图像,随着数学模型开发的团队,可以描述成核站点的分布严格的定量条件。“这是如此重要的原因,”小王说,“是因为几乎成核发生在一切,在许多物理过程,无论是自然或在工程材料和系统。亚博网站下载正因为如此,我认为这更重要的是理解是一个非常强大的机会。”
他们使用的过程,称为phase-enhanced环境扫描电子显微镜(p-ESEM),可以透过电子雾云移动的电子散射引起的气体分子在表面被成像。传统整体”可以想象一个非常宽的样本材料,这是非常独特而典型的电子显微镜,但分辨率很差”因为这个电子的散射,产生随机噪声,张医生说。
利用电子可以被描述为粒子或波,研究人员发现一种方法使用阶段的电子波,和延迟阶段时生成电子罢工。yabo214这个相位延迟信息对最轻微的扰动极为敏感,到纳米尺度,张医生说,他们开发的技术可以使用这些电子波相位关系来重建一个更详细的图像。
通过使用这种方法,他说,“我们可以得到更好的成像对比度增强,然后我们能够重建或直接成像的电子在几微米或亚微米尺度。这让我们看到了成核过程和大量的成核的分布地点。”
启用了推进团队研究基本问题的成核过程,如站点密度之间的差异和网站之间最近的距离。原来估计的关系已经被工程师使用了半个世纪不正确。他们被称为泊松分布,基于关系的站点密度和最近邻函数,当事实上这项新的研究表明,不同的关系,瑞利分布,更准确地描述最近邻的关系。
张先生解释道,这很重要,因为“成核是一个非常微小的行为,但这实际上微观尺度上成核站点的分布决定了系统的宏观行为。”例如,在冷凝和沸腾,它决定了传热系数,甚至在沸腾临界热通量,”措施,决定了热沸水前系统可以引发了灾难性的失败。
调查结果也与远不止水凝结。“我们发现对成核站点分布普遍,”岩田聪说。“它可以应用于各种系统涉及的成核过程,比如水分裂和物质增长。”例如,他说,在水中分解系统,可用于生成燃料的氢的电力来自可再生能源。泡沫的形成的动力学系统是其整体性能的关键,并在很大程度上取决于成核过程。
岩田聪说,“听起来像水分裂和冷凝是截然不同的现象,但我们在他们发现了一个普遍规律。我们是如此的兴奋。”
多样化的应用程序
许多其他现象也依靠成核,包括晶体的生长等过程的电影,包括钻石,在表面。这些过程在各种各样的高科技应用日益重要。
除了成核,新p-ESEM技术团队开发了还可以用于探测各种不同的物理过程,研究人员说。张医生说,它也可以应用“电化学过程,高分子物理,生物材料,因为所有这些材料被广泛研究使用传统的整体。亚博网站下载然而,通过使用p-ESEM,我们一定能得到一个更好的性能由于内在的高灵敏度”这个系统的。
p-ESEM系统,张医生说,通过提高对比度和敏感性,可以提高信号的强度与背景噪音的10倍。
教授Nenad Miljkovic伊利诺伊大学机械科学与工程的他并没有与此相关的工作,亚博老虎机网登录说,“成核控制过多的现象,比如沸腾,冷凝,和化学汽相淀积(如本文中提到的)但也有许多其他的相变,如降水污染腐蚀起始,以及凝固的冰或储能相变材料。”亚博网站下载
他补充说,“经典,过去的工作依赖于泊松统计获得估计近邻间距,然后可以用于传热模型预测、增长率、或反应动力学取决于手头上的过程。当前的工作从根本上改变这个经典的观点。”
研究小组包括林赵,帅锣,Zhengmao,杨钟,塞缪尔·克鲁兹和凯尔Wilke麻省理工学院;金龙朱、伊利诺伊大学香槟分校;程和许镇远平在中国上海交通大学。支持的工作是会研究和技术联盟,丰田中央研发实验室和美国国家科学基金会和国家科技重大项目。亚博老虎机网登录
来源:https://www.mit.edu/