Вероятность, что молекула пара будет подпрыгивать или размышлять, от жидкой поверхности является фундаментальным свойством воды, во многом как ее точка кипения. И все же в прошлом веке было мало соглашения по вероятности, что молекула воды подпрыгнет от жидкой поверхности.«Когда молекула водяного пара поражает поверхность, она немедленно входит в жидкость?
Или это отрывается и совершить нападки снова и снова, тогда в конечном счете войти?» говорит Рохит Карник, адъюнкт-профессор машиностроения в MIT. «Есть большое противоречие, и нет никакого легкого способа измерить эту основную собственность».Знание этой живой вероятности дало бы ученым существенное понимание множества заявлений, которые включают поток воды: движение воды через почву, формирование облаков и тумана и эффективности устройств водной фильтрации.
Это последнее применение побудило Karnik и его коллег – Джонго Ли, аспиранта MIT в машиностроении, и Тэхэра Лэоуи, преподавателя в Университете короля Фахда Нефти и Полезных ископаемых (KFUPM) в Саудовской Аравии – изучать вероятность воды подпрыгивания. Группа развивает мембраны для водного опреснения воды; успех этой технологии зависит, частично, на способности водяного пара течь через мембрану и уплотнить с другой стороны как очищенная вода.
Наблюдая водный транспорт через мембраны с порами различных размеров, группа измерила вероятность молекулы воды сжатия или подпрыгивания от жидкой поверхности в наноразмерном. Результаты, изданные по своей природе Нанотехнологии, могли помочь в проектировании более эффективных мембран опреснения воды и могут также расширить понимание ученых потока воды в наноразмерном.
«Везде, где у Вас есть поверхность жидкого пара, там будет испарением и уплотнением», говорит Карник. «Таким образом, эта вероятность довольно универсальна, поскольку она определяет то, что молекулы воды делают во всех таких поверхностях».Мешание потоку
Один из самых простых способов удалить соль из воды, кипя и испаряясь вода – отделение его от солей, затем уплотняя его как очищенную воду. Но этот метод энергоемкий, требуя большого тепла.
Группа Карника развивала мембрану опреснения воды, которая подражает флотации с кипячением, но без потребности в тепле. Тонкая бритвой мембрана содержит наноразмерные поры, которые, замеченный по стороне, напоминают крошечные трубы. Половина каждой трубы – мягкая контактная линза или привлечение воды, в то время как другая половина гидрофобная, или водный репеллент.Как потоки воды от мягкой контактной линзы до гидрофобной стороны, это поворачивается от жидкости до пара в интерфейсе жидкого пара, моделируя переход воды во время флотации с кипячением.
Молекулы пара, которые едут в жидкое решение на другом конце нанопоры, могут или уплотнить в него или подпрыгнуть прочь его. Мембрана позволяет более высокие показатели потока воды, если больше молекул уплотняет, вместо того, чтобы подпрыгнуть.Проектирование эффективной мембраны опреснения воды требует понимания того, что могло бы помешать воде течь через него. В случае мембраны исследователей они нашли, что сопротивление потоку воды прибыло из двух факторов: длина нанопор в мембране и вероятности, что молекула подпрыгнула бы, а не уплотнила бы.
В экспериментах с мембранами, нанопоры которых, различные по длине, команда, заметили, что большая длина поры была основным фактором, препятствующим потоку воды – то есть, чем больше расстояние молекула должна поехать, тем менее вероятно это должно пересечь мембрану. Поскольку поры становятся короче, приближая два жидких решения вместе, этот эффект спадает, и молекулы воды получают лучшую возможность прохода.
Но в определенной длине, исследователи нашли, что сопротивление потоку воды прибывает, прежде всего, из вероятности молекулы подпрыгивания. Другими словами, в очень коротких порах, поток воды ограничен шансом молекул воды, подпрыгивающих от жидкой поверхности, а не их путешествия через нанопоры. Когда исследователи определили количество этого эффекта, они нашли, что только 20 – 30 процентов молекул водяного пара, поражающих жидкую поверхность на самом деле, уплотняют с большинством, подпрыгивающим далеко.
Дизайн без сильных ударовОни также нашли, что живая вероятность молекулы зависит от температуры: 64 процента молекул подпрыгнут на уровне 90 градусов по Фаренгейту, в то время как 82 процента молекул подпрыгнут в 140 градусах.
Группа картировала вероятность воды подпрыгивания относительно температуры, производя граф, что Карник говорит, что исследователи могут обратиться к в вычислении наноразмерных потоков во многих системах.«Эта вероятность говорит нам, как различные структуры поры выступят с точки зрения потока», говорит Карник. «Как короткий мы должны сделать пору и какие скорости потока жидкости мы получим? Этот параметр непосредственно влияет на конструктивные соображения нашей мембраны фильтрации».Ян Эйджкель, преподаватель микрогидродинамики и nanofluidics в Университете Твенте в Нидерландах, говорит, что работа группы может быть полезной в понимании широкого спектра явлений, включая микрофизику и химию облаков, жидкостей, аэрозолей и атмосферы.
«Их основной вклад – введение совершенно нового метода, у которого есть очень хорошая гибкость способности отрегулировать расстояние между водными поверхностями вниз к очень коротким расстояниям», говорит Эйджкель, который не способствовал работе. «Кроме того, Инновации изменения состава этих двух решений независимо изящны».Ли говорит, что знание живой вероятности воды может также помочь управлять уровнями влажности в топливных элементах.
«Одна из проблем с обменными мембранными топливными элементами протона, после того, как водород и кислород реагируют, вода произведена. Но если Вы будете иметь плохой контроль над потоком воды, Вы затопите сам топливный элемент», говорит Ли. «Такой топливный элемент включает наноразмерные мембраны и структуры.
Если Вы понимаете правильное поведение водного уплотнения или испарения в наноразмерном, Вы можете контролировать влажность топливного элемента и поддержать хорошую работу все время».Исследование финансировалось Центром Чистой воды и Экологически чистой энергии в MIT и KFUPM.