Form påvirker ydeevnen af ​​mikropiller i varmeoverførsel

Efterhånden som vores elektroniske enheder bliver mere sofistikerede, de genererer også mere varme, der skal frigives for maksimal ydelse. Damena Agonafer, en maskiningeniør og materialeforsker ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, perfekterer en måde at sprede varmen gennem en unik proces, der involverer små flydende dråber oven på en række mikropiller.

I ny forskning offentliggjort på forsiden af ​​tidsskriftet Langmuir 17. september, Agonafer, adjunkt i maskinteknik og materialevidenskab, arbejdet med dråber af forskellige væsker på mikropillarstrukturer i forskellige former:trekanter, firkanter og cirkler. Dråberne på toppen af ​​mikropillerne ligner, når et glas vand er overfyldt lige nok til at få en halvkugleform, eller en menisk, på toppen af ​​glasset, før endnu en dråbe får det til at vælte over.

Agonafers mikropillarstrukturer holder dråber væske med deres skarpe kanter, der danner en energibarriere på overfladen, der forhindrer væsken i at spilde. Nogle væsker, såsom vand, skabe høj overfladespænding og skabe maksimalt tryk, når kontaktlinjen fastgøres på kanten af ​​den indvendige pore af mikropillaren. Andre væsker, såsom isopropylalkohol eller kølemiddel, skabe lav overfladespænding og skabe maksimalt tryk, når kontaktlinjen er fastgjort på konstruktionens yderkant.

Agonafer fandt ud af, at formen på mikropillaren gjorde en forskel i mængden af ​​væske, den indeholdt, før dråberne væltede. Arbejdet, den første til at studere væskeretention på asymmetriske søjlekonstruktioner, giver indsigt i design af overflade mikro- og nanoengineered strukturer inden for videnskab og teknik.

"Vi vil have, at dråben forbliver på plads oven på mikropillaren, fordi den hjælper med køleprocessen, "Sagde Agonafer." Den asymmetriske form forbedrer varmeoverførslen. Menisken er den højeste fordampende varmeoverførsel, så vi ville prøve at øge den region. "

Tidligere har Agonafer udviklede en membran med cirkulære mikroskopiske søjler designet til at sprede varmen i elektroniske enheder. Han baserede membranen på den vandafvisende hud på springhalen, et gammelt insekt, der kan trække vejret gennem huden selv under vand. Det var det første arbejde, der brugte væske med lav overfladespænding inden i porøse membranstrukturer.

I den nye forskning, Agonafer og hans team fandt ud af, at en dråbe fastgjort på en trekantet mikropillar tog den mindst mængde væske, før den væltede over, kendt som kritisk burstvolumen. Når de brugte væskerne med høj overfladespænding isopropylalkohol og dielektrisk væske, ændring af mikropillarens form fra cirkulær til trekantet førte til en 83% og 76% reduktion i kritisk burstvolumen, henholdsvis.

Ultimativt, han fandt ud af, at den cirkulære mikropillar havde en mere ensartet opbygning af væskemængde end de trekantede og firkantede mikropiller.

"Tilbageholdelse af væsker på de asymmetriske søjlekonstruktioner havde meget andre egenskaber end den cylindriske søjle, "sagde han." Den flydende menisk skal ikke nødvendigvis fugtige hele toppen af ​​overfladen af ​​den asymmetriske mikropillar, skaber en betydelig udfordring for at analysere ligevægtsprofilen. "

Agonafer og hans laboratorium arbejder nu på at optimere formen og mønsteret på mikropillerne på en række mod udvikling af en fordampende varmeveksler.