En konstrueret overflade løsner klistrede vanddråber

Lotusblomstens blade, og andre naturlige overflader, der afviser vand og snavs, har været model for mange typer konstruerede væskeafvisende overflader. Så glatte som disse overflader er, imidlertid, små vanddråber klæber stadig til dem. Nu, Penn State forskere har udviklet nano/mikro-tekstureret, meget glatte overflader, der kan overgå disse naturligt inspirerede belægninger, især når vandet er en damp eller små dråber.

Forbedring af mobiliteten af ​​væskedråber på ru overflader kan forbedre kondensationsvarmeoverførslen til kraftværksvarmevekslere, skabe mere effektiv vandopsamling i tørre områder, og forhindre isdannelse og frost på flyvinger. "Dette repræsenterer et fundamentalt nyt koncept inden for konstruerede overflader, " sagde Tak-Sing Wong, assisterende professor i maskinteknik og et fakultetsmedlem i Penn State Materials Research Institute. "Vores overflader kombinerer de unikke overfladearkitekturer af lotusblade og kandeplanter på en sådan måde, at disse overflader besidder både et stort overfladeareal og en glat grænseflade for at forbedre dråbeopsamling og mobilitet. Flydende dråbers mobilitet på ru overflader er meget afhængig af, hvordan væske fugter overfladen. Vi har for første gang demonstreret eksperimentelt, at væskedråber kan være meget mobile, når de er i Wenzel-tilstand."

Væskedråber på ru overflader kommer i en af ​​to tilstande:Cassie, hvor væsken delvist flyder på et lag af luft eller gas, og Wenzel, hvor dråberne er i fuld kontakt med overfladen, at fange eller fastgøre dem. De to stater er opkaldt efter de fysikere, der først beskrev dem. Mens Wenzel-ligningen blev offentliggjort i 1936 i et meget citeret papir, det har været ekstremt udfordrende at verificere ligningen eksperimentelt.

"Ved forsigtighed, systematisk analyse, vi fandt ud af, at Wenzel-ligningen ikke gælder for stærkt fugtende væsker, " sagde Birgitt Boschitsch Stogin, kandidatstuderende i Wongs gruppe og medforfatter af "Slippery Wenzel State, " offentliggjort i online-udgaven af ACS Nano .

"Dråber på konventionelle ru overflader er mobile i Cassie-staten og stiftet i Wenzel-tilstanden. Den klæbrige Wenzel-tilstand resulterer i mange problemer med kondensationsvarmeoverførsel, vandopsamling og isfjernelse. Vores idé er at løse disse problemer ved at gøre det muligt for Wenzel state droplets at være mobile, " sagde Xianming Dai, postdoc i Wongs gruppe og hovedforfatter på papiret. I det sidste årti, en enorm indsats er blevet afsat til at designe ru overflader, der forhindrer Cassie-til-Wenzel befugtningsovergang. Et centralt konceptuelt fremskridt i den nuværende undersøgelse er, at både Cassie- og Wenzel-tilstandsdråber kan bevare mobiliteten på den glatte, ru overflade, forud for den vanskelige proces med at forhindre befugtningsovergangen.

For at gøre Wenzel-statsdråber mobile, forskerne ætsede søjler i mikrometerskala ind i en siliciumoverflade ved hjælp af fotolitografi og dyb reaktiv ion-ætsning, og derefter skabt nanoskala teksturer på søjlerne ved våd ætsning. De infunderede derefter nanoteksturerne med et lag smøremiddel, der fuldstændigt dækkede nanostrukturerne, hvilket resulterer i stærkt reduceret fastspænding af dråberne. Nanostrukturerne forbedrede også i høj grad tilbageholdelse af smøremiddel sammenlignet med den mikrostrukturerede overflade alene.

Det samme designprincip kan nemt udvides til andre materialer end silicium, såsom metaller, glas, keramik og plast. Forfatterne mener, at dette arbejde vil åbne søgen efter en ny, samlet model for befugtningsfysik, der forklarer befugtningsfænomener på ru overflader.