Undersøgelse afslører en ny måde at forbedre eller reducere vedhæftningen af ​​frysende dråber

Når frysende dråber rammer en overflade, de enten holder sig til det eller hopper væk. Styring af dette svar er afgørende for mange applikationer, inklusive 3-D print, sprøjtning af nogle overfladebelægninger, og forebyggelse af isdannelse på strukturer såsom flyvinger, vindturbine, eller elledninger.

Nu, MIT-forskere har fundet et overraskende nyt twist til den involverede mekanik, når dråber kommer i kontakt med overflader. Mens det meste af forskningen har fokuseret på de hydrofobe egenskaber af sådanne overflader, det viser sig, at deres termiske egenskaber også er afgørende vigtige - og giver en uventet mulighed for at "tune" disse overflader til at opfylde de nøjagtige behov for en given applikation. De nye resultater præsenteres i dag i tidsskriftet Naturfysik , i en rapport fra MIT lektor i maskinteknik Kripa Varanasi, tidligere postdoc Jolet de Ruiter, og postdoc Dan Soto.

"Vi fandt noget meget interessant, " forklarer Varanasi. Hans team studerede egenskaberne af en væske - i dette tilfælde, dråber af smeltet metal - fryser fast på en overflade. "Vi havde to substrater, der havde lignende befugtningsegenskaber [tendensen til enten at sprede sig eller perle op på en overflade], men forskellige termiske egenskaber." Ifølge konventionel tænkning, måden dråber virkede på de to overflader burde have været ens, men i stedet viste det sig at være dramatisk anderledes.

På silicium, som leder varme meget godt, som de fleste metaller gør, "det smeltede metal faldt lige af, " siger Varanasi. Men på glas, som er en god termisk isolator, "metaldråberne sad fast og var svære at fjerne."

Fundet viste, at "vi kan kontrollere adhæsionen af ​​en dråbe, der fryser på en overflade ved at kontrollere den overflades termiske egenskaber, han siger. "Det er en helt ny tilgang" til at bestemme, hvordan væsker interagerer med overflader, tilføjer han. "Det giver os nye værktøjer til at kontrollere resultatet af sådanne væske-faststof-interaktioner."

For at forklare forskellen i termisk ledningsevne af forskellige materialer, Varanasi giver eksemplet med to gulvoverflader, en lavet af sten, en anden af ​​træ. Selvom begge har nøjagtig samme temperatur, hvis du træder med bare fødder på skoven, det vil føles varmere end stenen. Det skyldes, at stenen har højere termisk effusivitet (den hastighed, hvormed et materiale kan udveksle varme) end træ, så det trækker varme væk fra dine fødder hurtigere, får det til at føles koldere.

Forsøgene i undersøgelsen blev udført med smeltet metal, hvilket er vigtigt i nogle industrielle processer såsom de termiske sprøjtebelægninger, der påføres turbinevinger og andre maskindele. For disse processer, kvaliteten og ensartetheden af ​​belægningerne kan afhænge af, hvor godt hver lille dråbe hæfter til overfladen under afsætning. Resultaterne gælder sandsynligvis også for alle slags væsker, inklusive vand, Varanasi siger.

Ved belægning af overflader, "måden, hvorpå dråber rammer og danner streger, dikterer integriteten af ​​selve belægningen. Hvis den ikke er perfekt, det kan have en enorm indflydelse på delens ydeevne, såsom en turbinevinge, Varanasi siger. "Vores resultater vil give en helt ny forståelse af, hvornår tingene hænger ved, og hvornår de ikke gør det."

Den nye indsigt kan være nyttig både når det er ønskeligt at få dråber til at klæbe til overflader, som i nogle slags 3-D-printere, for at sikre, at hvert udskrevne lag klæber grundigt til det forrige lag, og når det er vigtigt at forhindre dråber i at sætte sig fast, såsom på flyvinger i iskoldt vejr. Forskningen kunne også være nyttig til rengøring og affaldshåndtering af additiv fremstilling og termiske sprøjteprocesser.

Soto siger, at opdagelsen kom, da holdet studerede den lokale frysemekanisme ved grænsefladen mellem væsken og substratet, ved hjælp af et termisk højhastighedskamera, der afslørede hurtige effekter under afkølingsprocessen, som ville have været umulige at se på længere tidsskalaer. Billederne viste en progressiv udvikling af frynser omkring dråbernes ydre kanter. "Vi indså, at dråben uventet krøllede sammen og løsnede sig fra overfladen, mens den frøs, " siger han. De beskrev dette fænomen som "selv-afskalning" af dråberne.

"Hovedingredienserne for dette fænomen, " siger de Ruiter, "er samspillet mellem kort tidsskala væskedynamik, som sætter vedhæftningen, og termiske effekter i længere tid, som fører til global deformation." Holdet udviklede et designkort, der fanger forskellige mulige resultater (klæbende, selv-peeling, eller hoppende) med hensyn til centrale termiske egenskaber:dråbe og substratudstrømning, og temperaturer.

Da graden, i hvilken dråber klæber eller ikke klæber, afhænger af et materiales termiske egenskaber, det er muligt at skræddersy disse egenskaber baseret på applikationen, siger Soto. "Vi kan forestille os scenarier, hvor termiske egenskaber kan justeres i realtid gennem elektriske eller magnetiske felter, gør det muligt at justere overfladens klæbrighed til stødende dråber."

Klæbningsresultatet kan også kontrolleres ved blot at ændre de relative temperaturer af dråberne og overfladen, holdet fandt. I mange tilfælde, disse ændringer er kontraintuitive:F.eks. mens man kunne forvente, at den eneste måde at forhindre fastklæbning af frysende dråber på er ved at opvarme et substrat, holdet fandt et nyt regime, hvor afkøling af overfladen også kan føre til samme resultat.