作者:大卫·L
麻省理工学院钱德勒 许多不同的过程，包括沸腾、结晶和水分裂，都是由表面上形成的成核位点的分布决定的
新的发现适用于所有这些，并可用于预测从发电厂到海水淡化设施再到制造厂的大规模系统特性
学分:由研究人员提供 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，它控制液滴和气泡的形成
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，可以直接详细观察这一过程，这有助于为各种这类过程设计更好、更有效的表面
这项创新使用传统的扫描电子显微镜设备，但增加了一种新的处理技术，可以将整体灵敏度提高10倍，并提高对比度和分辨率
使用这种方法，研究人员能够直接观察表面上成核点的空间分布，并跟踪其随时间的变化
然后，研究小组利用这些信息推导出过程和控制过程的变量的精确数学描述
这项新技术有可能应用于广泛的研究领域
今天，麻省理工学院研究生张乐南在《细胞报告物理科学》杂志的一篇论文中描述了这一现象；客座研究科学家岩田龙一；机械工程教授兼系主任王；麻省理工学院、伊利诺伊大学香槟分校和上海交通大学的其他九所大学
“一个真正强大的机会” 当水滴在平坦的表面上凝结时，例如在电厂中使蒸汽循环回到水中的冷凝器上，每个水滴都需要一个初始成核点，从这个点开始形成水滴
这些成核点的形成是随机的和不可预测的，因此这种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，数十年来用于这些计算的统计方法是不正确的，应该使用不同的方法来代替
成核过程的高分辨率图像，以及研究小组开发的数学模型，使得用严格的定量术语描述成核位点的分布成为可能
“这一点之所以如此重要，”王说，“是因为成核几乎发生在任何事物中，在许多物理过程中，无论是自然的还是工程材料和系统中
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
" 他们使用的过程被称为相位增强环境扫描电子显微镜(p-ESEM)，使得通过电子雾进行观察成为可能，电子雾是由移动的气体分子在成像表面散射的电子云引起的
张说，传统的ESEM“可以对非常宽的材料样本成像，这与典型的电子显微镜相比非常独特，但分辨率很低”，因为这种电子散射会产生随机噪声
利用电子可以被描述为粒子或波的事实，研究人员找到了一种利用电子波相位的方法，以及当电子撞击某物时产生的相位延迟
张说，这种相位延迟信息对微小的微扰都非常敏感，小到纳米尺度，他们开发的技术使得利用这些电子波相位关系重建更详细的图像成为可能
这两幅显微镜图像显示了水滴的成核过程
在左边，由传统的环境扫描电子显微镜(ESEM)成像。在右边，使用新的相位增强(p-ESEM)方法，将对比度提高了六倍以上
荣誉:由研究人员提供 他说，通过使用这种方法，“我们可以获得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点的分布
" 这一进展使研究小组能够研究成核过程的基本问题，如位点密度和位点间最近距离之间的差异
事实证明，工程师们半个多世纪以来对这种关系的估计是不正确的
它们是基于一种称为泊松分布的关系，对于站点密度和最近邻函数，而实际上新的工作表明，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，但是成核位点在这种微观尺度上的分布实际上决定了系统的宏观行为
“例如，在冷凝和沸腾时，它决定了传热系数，在沸腾时，甚至决定了临界热通量，”这一指标决定了沸水系统在引发灾难性故障之前的热度
这些发现也不仅仅与水凝结有关
岩田聪说:“我们关于成核点分布的发现是普遍的。”
“它可以应用于各种涉及成核过程的系统，例如水分裂和材料生长
“例如，他说，在分水系统中，可以用可再生能源发电产生氢燃料
这种系统中气泡形成的动力学是其整体性能的关键，并且在很大程度上由成核过程决定
岩田聪补充道，“听起来水的分裂和凝结是非常不同的现象，但是我们在它们之间找到了一个普遍规律
所以我们对此非常兴奋
" 多样的应用 许多其他现象也依赖于成核作用，包括晶体膜(包括金刚石)在表面的生长过程
在各种各样的高科技应用中，这种工艺越来越重要
研究人员说，除了成核作用，该团队开发的新p-ESEM技术还可以用来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，因为所有这些种类的材料都用常规的进行了广泛的研究
然而，通过使用p-ESEM，由于该系统固有的高灵敏度，我们肯定可以获得更好的性能
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
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