Новый дизайн поверхности резко снижает эффекты конденсации

Хотя термин «всемогущий» может звучать как способ определить кого-то, кто испугался всего, он на самом деле относится к уникальному типу поверхности, который отталкивает почти все виды жидкостей. Такие поверхности могут быть использованы во всем – от покрытий, которые защищают от разрушающих химических веществ и сопротивляются окрашиванию, для доставки корпусов, которые повышают эффективность и уменьшают сопротивление.

На этой фотографии показаны капли воды, нанесенные на наноструктурную поверхность, разработанную исследователями MIT. Цвета вызваны дифракцией видимого света от крошечных структур на поверхности, гребней со специально разработанной формой. (Image credit: Kyle Wilke)

Тем не менее, на сегодняшний день развитые всемогущие поверхности всегда испытывают значительную проблему: их свойства для сброса жидкости быстро блокируются конденсацией.

Теперь исследователи MIT определили новый метод решения этого эффекта, создав конструкцию поверхности, которая радикально снижает эффекты конденсации, хотя и с небольшим компромиссом в производительности. Профессор машиностроения и руководитель отдела Эвелин Ван, аспирант Кайл Уилк и двое других сообщили о последних результатах в журнале ACS Nano .

Получение поверхности, которая может пролить почти все жидкости, требует точного вида текстуры, которая генерирует ряд микроскопических воздушных карманов, изолированных из хребтов или столбов. Эти крошечные воздушные карманы гарантируют, что большая часть жидкости не вступает в непосредственный контакт с поверхностью и, таким образом, предотвращает ее «смачивание» или распространение, чтобы закрыть всю поверхность. Скорее, жидкость поднимается в крошечные капельки.

« Многие жидкости отлично смачиваются, что означает, что жидкость полностью распространяется – утверждает Вильке. К ним относятся большинство хладагентов, которые используются в холодильниках и кондиционерах, многих спиртах и ​​углеводородах, подобных тем, которые используются в качестве смазочных материалов и топлива. « Те очень трудно отразить. Единственный способ сделать это – очень специфическая геометрия поверхности, что не так просто сделать – добавляет он.

Он сообщил, что несколько групп работают над методами изготовления, но с характеристиками поверхности, определенными в десятках микрон (миллионных долей метра) или менее, « он может сделать его довольно трудным для изготовления и может сделать поверхности довольно хрупкий . "

Если на такие поверхности нанесен ущерб, например, если один из микроскопических столбов сломан или согнут, он может победить весь процесс. « Один локальный дефект может разрушить способность всей поверхности отражать жидкости », – утверждает он. И конденсация, такая как роса, возникающая из-за изменения температуры между поверхностью и воздухом, ведет себя одинаково, повредив вездесущность.

« Мы рассмотрели: как мы можем потерять часть репеллентности, но сделать поверхность устойчивой « против росы и повреждения, – говорит Уилк. « Мы хотели, чтобы одна из дефектов не разрушала ». После обширных экспериментов и вычислений была идентифицирована геометрия, которая соответствует этой цели, и отчасти это было связано с отключением миниатюрных воздушных карманов, а не с подключением на поверхности, что делает его гораздо менее вероятным для распространения между карманами.

Уилке объяснил, что особенности должны быть чрезвычайно малы, потому что во время их образования капли изначально находятся в масштабе миллиардных долей метра или нанометров, а между этими увеличивающимися каплями расстояние может быть ниже одного микрометра.

]

Основная архитектура, разработанная исследователями, основана на хребтах, чьи профили выглядят как алфавит T, или в некоторых случаях алфавит T с засечками (очень маленькие крючки на концах штрихов букв в определенных шрифтах).

Сама форма, а также расстояние между этими хребтами является ключом к достижению устойчивости поверхности к конденсации и повреждению. Формы разработаны таким образом, что они используют поверхностное натяжение жидкости, чтобы предотвратить попадание в поверхностные поверхностные карманы воздуха, а гребни соединяются таким образом, что любое локальное проникновение полостей поверхности не может распространиться на другие поблизости. исследователи доказали в лабораторных тестах.

С помощью традиционных систем производства микрочипов хребты разработаны в многоступенчатом процессе. Во-первых, промежутки между хребтами вытравливаются, затем края столбов покрываются, и, наконец, эти покрытия вытравливаются, чтобы получить углубление по бокам гребней, оставляя навес похожим на гриб сверху.

Уилке добавил, что из-за ограничений настоящей технологии в настоящее время широко используются всемогущие поверхности; однако, повышение их стойкости и долговечности к конденсации может проложить путь для новых применений. Тем не менее, система должна быть дополнительно уточнена за пределами этого первоначального доказательства концепции. Его можно использовать для изготовления самоочищающихся поверхностей, для повышения устойчивости к накоплению льда, для повышения эффективности теплопередачи в промышленных процессах, таких как выработка электроэнергии, и для уменьшения сопротивления поверхности, например, корпусов кораблей.

По мнению исследователей, такие типы поверхностей могут потенциально обеспечивать защиту от коррозии, минимизируя контакт между поверхностью материала и любыми коррозионными жидкостями, на которые он может быть подвергнут. И поскольку новая технология обеспечивает средства для точного проектирования архитектуры поверхности, ее можно применять для «в которой описывается, как поверхность взаимодействует с жидкостями, например, для адаптации теплопередачи для теплового управления в высокопроизводительных устройствах «Говорит Вильк.

Чанг-Джин Ким, профессор механической и аэрокосмической техники в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, который не участвовал в исследовании, заявляет: « Одним из наиболее значительных ограничений омнибубных поверхностей является то, что, хотя такая поверхность обладает превосходной жидкостной репеллентностью, вся поверхность смачивается, когда жидкость попадает в пустоты на текстурированной поверхности в некоторых местах. Этот новый подход касается именно этого ограничения .

Ким добавляет, что « мне нравится, что их ключевая идея была основана на фундаментальной науке, в то время как их целью было решить ключевую проблему реальной жизни. Проблема, которую они затрагивали, является важной, но очень трудной . «И, как он утверждает,« . Этот подход потенциально может сделать некоторые из всемогущих поверхностей полезными и практичными для некоторых важных приложений ».

Исследователи также включали бывших аспирантов Чжэнмао Лу и Даниэля Престона.

Исследование финансировалось соглашением о сотрудничестве между Массачусетским технологическим институтом и Институтом науки и техники Масдара в Абу-Даби (ныне Университет Халифы), Национальной нефтяной компанией Абу-Даби, Управлением военно-морских исследований, Управлением научных исследований ВВС , и Национальный научный фонд.

Source link