新的显微镜技术揭示了液滴成核的细节

成核是一种普遍存在的现象，在用于冷凝、脱盐、水分裂、晶体生长和许多其他重要工业过程的系统中，成核支配着水滴和气泡的形成。现在，麻省理工学院和其他地方首次开发了一种新的显微镜技术，可以直接观察过程的细节，这可能有助于设计改进的、更有效的表面，以适应各种各样的过程。

这项创新使用了传统的扫描电子显微镜设备，但增加了一项新的处理技术，可以将整体灵敏度提高10倍，同时还提高了对比度和分辨率。2020欧洲杯下注官网利用这种方法，研究人员能够直接观察表面成核位置的空间分布，并追踪其随时间的变化。然后，研究小组利用这些信息得出了这一过程及其控制变量的精确数学描述。

这项新技术有可能应用于各种各样的研究领域。今天的杂志上有描述细胞报告物理科学欧洲杯线上买球麻省理工学院(MIT)研究生张勒南(Lenan Zhang)在一篇论文中写道;访问研究科学家岩田龙一;机械工程教授、系主任Evelyn Wang;麻省理工学院(MIT)、伊利诺伊大学香槟分校(University of Illinois at urbana - champae)和上海交通大学(Shanghai Jiao Tong University)的其他九所大学。

“一个非常强大的机会”

当液滴在一个平面上凝结时，比如在发电厂的冷凝器上，让蒸汽循环回到水里，每一个液滴都需要一个初始成核点，然后从那里形成液滴。这些成核位点的形成是随机和不可预测的，因此这些系统的设计依赖于它们分布的统计估计。然而，根据新的发现，几十年来用于这些计算的统计方法是不正确的，应该使用另一种不同的方法。

成核过程的高分辨率图像，以及该团队开发的数学模型，使严格定量地描述成核位置的分布成为可能。“这之所以如此重要，”小王说,“因为在很多物理过程中，几乎所有的事情都有成核，无论是自然的还是工程材料和系统。欧洲杯足球竞彩正因为如此，我认为从根本上理解这一点是一个非常强大的机会。”

他们使用的这一过程被称为相位增强环境扫描电子显微镜(p-ESEM)，它使人们能够透过被成像表面上移动的气体分子散射的电子云来观察电子雾。传统整体”可以对非常广泛的材料样本进行成像，这与典型的电子显微镜相比非常独特，但分辨率很差。”因为这种电子散射会产生随机噪声，张说。

利用电子既可以被描述为粒子也可以被描述为波的事实，研究人员找到了一种方法来利用电子波的相位，以及当电子撞击某物时产生的相位延迟。欧洲杯猜球平台张说，这种相位延迟信息对微小的扰动非常敏感，甚至在纳米尺度上，他们开发的技术使利用这些电子波相位关系重建更详细的图像成为可能。

他说，通过使用这种方法，“我们可以得到更好的成像对比度增强，然后我们能够在几微米甚至亚微米尺度上重建或直接成像电子。”这使我们能够看到成核过程和大量成核位点的分布。”

这一进展使该团队能够研究成核过程的基本问题，如位点密度之间的差异和位点之间最近的距离。事实证明，半个多世纪以来，工程师们对这一关系的估计是不正确的。它们是基于一种叫做泊松分布的关系，对于场址密度和最近邻函数来说都是如此，而事实上，新的研究表明一种不同的关系，瑞利分布，更准确地描述了最近邻关系。

张解释说，这很重要，因为成核是一种非常微观的行为，但在这个微观尺度上的成核位置分布实际上决定了系统的宏观行为。例如，在冷凝和沸腾过程中，它决定了传热系数，在沸腾过程中，甚至是临界热流，也就是“决定沸水系统在触发灾难性故障之前能达到多热的测量”。

这些发现还远远不止与水凝结有关。“我们对成核位点分布的发现是普遍的，”岩田聪说。“它可以应用于涉及成核过程的各种系统，如水分裂和材料生长。”例如，他说，在水分解系统中，可用于从可再生资源的电力中产生氢燃料。在这样的体系中，气泡形成的动力学是其整体性能的关键，并在很大程度上由成核过程决定。

岩田聪说,“这听起来像是水分裂和凝结是非常不同的现象，但我们在其中发现了一个普遍的规律。所以我们对此非常兴奋。”

多样化的应用程序

许多其他现象也依赖于成核，包括晶体薄膜的生长过程，包括金刚石。这种工艺在各种各样的高科技应用中越来越重要。

研究人员说，除了成核，该团队开发的新的p-ESEM技术还可以用于探测各种不同的物理过程。张说，它也可以应用于“电化学过程、聚合物物理和生物材料，因为所有这些类型的材料都是使用传统ESEM进行广泛研究的。欧洲杯足球竞彩然而，通过使用p-ESEM，由于其固有的高灵敏度，我们肯定可以获得更好的性能。”这个系统的。

张说，p-ESEM系统通过提高对比度和灵敏度，可以将信号相对于背景噪声的强度提高10倍。

伊利诺伊大学机械科学与工程教授Nenad Miljkovic没有参与这项工作，他说，欧洲杯线上买球“成核支配着大量的现象，如沸腾、凝结和化学气相沉积(如论文中提到的)，但也支配着大量其他相转变，如沉淀污垢、腐蚀引发，以及能量储存中冰的凝固或相变材料。”欧洲杯足球竞彩

他补充说,“传统上，过去的工作依赖泊松统计来获得最近邻间距的估计，然后可以在模型中使用，根据手头的过程来预测传热、增长率或反应动力学。目前的工作从根本上改变了这一经典观点。”

研究团队包括麻省理工学院的赵林、宫帅、卢正茂、钟杨、塞缪尔·克鲁兹和凯尔·威尔克;伊利诺伊大学香槟分校的朱金龙(音译);以及中国上海交通大学的许振远(Zhenyuan Xu)和程平(Ping Cheng)。这项工作得到了新加坡-麻省理工学院研究和技术联盟、丰田中央研发实验室、中国国家科学基金和国家科技重大项目的支持。欧洲杯线上买球

来源:https://www.mit.edu/