Hvordan glatte overflader tillader klæbrige pastaer og geler at glide

Et MIT-forskerhold, der allerede har overvundet problemet med at få ketchup ud af sin flaske, har nu tacklet en ny kategori af forbruger- og fremstillingsve:hvordan man får meget tykkere materialer til at glide uden at klæbe eller deformeres.

De glatte belægninger holdet har udviklet, kaldet væskeimprægnerede overflader, kunne have mange fordele, herunder eliminering af produktionsspild, der stammer fra materiale, der klæber til indersiden af ​​procesudstyr. De kan også forbedre kvaliteten af ​​produkter lige fra brød til lægemidler, og endda forbedre effektiviteten af ​​flow-batterier, en teknologi i hastig udvikling, der kan bidrage til at fremme vedvarende energi ved at levere billig lagring af produceret elektricitet.

Disse overflader er baseret på principper, der oprindeligt er udviklet til at hjælpe fødevarer, kosmetik, og andre viskøse væsker glider ud af deres beholdere, som udtænkt af Kripa Varanasi, en professor i maskinteknik ved MIT, sammen med tidligere studerende Leonid Rapoport Ph.D. '18 og Brian Solomon Ph.D. '16. Det nye arbejde er beskrevet i journalen ACS anvendte materialer og grænseflader .

Ligesom de tidligere overflader, de udviklede, hvilket førte til oprettelsen af ​​et spinoff-selskab kaldet LiquiGlide, de nye overflader er baseret på en kombination af en specielt tekstureret overflade og et flydende smøremiddel, der dækker overfladen og forbliver fanget på plads gennem kapillærvirkning og andre intermolekylære kræfter forbundet med sådanne grænseflader. Det nye papir forklarer de grundlæggende designprincipper, der kan opnå næsten 100 procent friktionsreduktion for disse gel-lignende væsker.

Trænger til et klem

Sådanne materialer, kendt som flydespændingsvæsker, inklusive geler og pastaer, er allestedsnærværende. De kan findes i forbrugerprodukter såsom fødevarer, krydderier, og kosmetik, og i produkter i energi- og medicinalindustrien. I modsætning til andre væsker såsom vand og olier, disse materialer vil ikke begynde at flyde af sig selv, selv når deres beholder er vendt på hovedet. At starte flowet kræver tilførsel af energi, såsom at klemme beholderen.

Men den klemning har sine egne effekter. For eksempel, brødfremstillingsmaskiner inkluderer typisk skrabere, der konstant skubber den klæbrige dej væk fra siderne af dens beholder, men at konstant skrabning kan resultere i overæltning og et tættere brød. En glat beholder, der ikke kræver nogen skrabning, kunne således give et bedre smagende brød, Varanasi siger. Ved at bruge dette system, "udover at få alt ud af containeren, du tilføjer nu højere kvalitet" af det resulterende produkt.

Det er måske ikke kritisk, når det gælder brød, men det kan have stor indflydelse på lægemidler, han siger. Brugen af ​​mekaniske skrabere til at drive lægemiddelmaterialer gennem blandetanke og rør kan forstyrre lægemidlets effektivitet, fordi de involverede forskydningskræfter kan beskadige proteinerne og andre aktive stoffer i lægemidlet.

Ved at bruge de nye belægninger, i nogle tilfælde er det muligt at opnå en 100 procent reduktion i modstanden, som materialet oplever - svarende til "uendelig slip, " siger Varanasi.

"Generelt set er overflader enablere, " siger Rapoport. "Superhydrofobe overflader, for eksempel, gør det muligt for vandet at rulle let, men ikke alle væsker kan rulle. Vores overflader gør det muligt for væsker at bevæge sig på den måde, der er mere at foretrække for dem – uanset om det ruller eller glider. Derudover fandt vi ud af, at flydespændingsvæsker kan bevæge sig på vores overflader uden at blive klippet, i det væsentlige glider som faste kroppe. Dette er meget vigtigt, når du vil bevare integriteten af ​​disse materialer, når de behandles."

Ligesom den tidligere version af glatte overflader skabte Varanasi og hans samarbejdspartnere, den nye proces begynder med at lave en overflade, der er tekstureret på nanoskala, enten ved at ætse en række tætsiddende søjler eller vægge på overfladen, eller mekanisk slibning af riller eller gruber. Den resulterende tekstur er designet til at have så små træk, at kapillærvirkning - den samme proces, der tillader træer at trække vand op til deres højeste grene gennem bittesmå åbninger under barken - kan virke til at holde på en væske, såsom en smøreolie, på plads på overfladen. Som resultat, ethvert materiale inde i en beholder med denne type foring kommer i det væsentlige kun i kontakt med smørevæsken, og glider lige af i stedet for at klæbe til den solide beholdervæg.

Det nye arbejde, der er beskrevet i denne artikel, beskriver de principper, forskerne fandt frem til for at muliggøre det optimale valg af overfladeteksturering, smøremateriale, og fremstillingsproces til enhver specifik anvendelse med dens særlige kombination af materialer.

Hjælper batterierne med at flyde

En anden vigtig anvendelse for de nye belægninger er i en hastigt udviklende teknologi kaldet flowbatterier. I disse batterier, faste elektroder erstattes af en opslæmning af bittesmå partikler suspenderet i væske, hvilket har den fordel, at batteriets kapacitet til enhver tid kan øges ved blot at tilføje større tanke. Men effektiviteten af ​​sådanne batterier kan begrænses af strømningshastighederne.

Brug af de nye glatte belægninger kan øge den samlede effektivitet af sådanne batterier markant, og Varanasi arbejdede sammen med MIT-professorerne Gareth McKinley og Yet-Ming Chiang om at udvikle et sådant system ledet af Solomon og Xinwei Chen, en tidligere postdoc i Chiangs laboratorium.

Disse belægninger kunne løse en gåde, som flowbatteridesignere har stået over for, fordi de var nødt til at tilføje kulstof til gyllematerialet for at forbedre dets elektriske ledningsevne, men kulstoffet gjorde også gyllen meget tykkere og forstyrrede dens bevægelse, fører til "et strømningsbatteri, der ikke kunne flyde, " siger Varanasi.

"Tidligere havde flow-batterier en afvejning i, at når du tilføjer flere kulstofpartikler, bliver gyllen mere ledende, men det bliver også tykkere og meget mere udfordrende at flyde, " siger Solomon. "Ved at bruge glatte overflader får vi det bedste fra begge verdener ved at tillade flow af tykke, udbyttespændingsgylle."

Det forbedrede system tillod brugen af ​​en flowelektrodeformulering, der resulterede i en firedobling af kapaciteten og en besparelse på 86 procent i mekanisk kraft, sammenlignet med brugen af ​​traditionelle overflader. Disse resultater blev for nylig beskrevet i tidsskriftet ACS Applied Energy Materials .

"Udover at fremstille en flow-batterianordning, der inkorporerer de glatte overflader, vi har også opstillet designkriterier for deres elektrokemiske, kemisk, og termodynamisk stabilitet, " forklarer Solomon. "Konstruktion af overflader til et flowbatteri åbner op for en helt ny gren af ​​applikationer, der kan hjælpe med at imødekomme fremtidens energilagringsbehov."