En ny tilgang til væskeafvisende overflader

"Omnifobisk" lyder måske som en måde at beskrive en person, der er bange for alt, men det refererer faktisk til en speciel type overflade, der afviser stort set enhver væske. Sådanne overflader kan potentielt bruges i alt fra skibsskrog, der reducerer træk og øger effektiviteten, til belægninger, der modstår pletter og beskytter mod skadelige kemikalier. Men de omnifobiske overflader, der hidtil er udviklet, lider af et stort problem:Kondens kan hurtigt deaktivere deres væskeafgivende egenskaber.

Nu, forskere ved MIT har fundet en måde at overvinde denne effekt, producerer et overfladedesign, der drastisk reducerer virkningerne af kondens, dog med et lille offer i ydeevnen. De nye fund er beskrevet i tidsskriftet ACS Nano , i et papir af kandidatstuderende Kyle Wilke, professor i maskinteknik og afdelingsleder Evelyn Wang, og to andre.

At skabe en overflade, der kan udskille stort set alle væsker, kræver en præcis form for tekstur, der skaber en række mikroskopiske luftlommer adskilt af søjler eller kamme. Disse luftlommer holder det meste af væsken væk fra direkte kontakt med overfladen, forhindrer det i at "væde, " eller breder sig ud for at dække en hel overflade. I stedet, væsken perler op i dråber.

"Mange væsker befugter perfekt, hvilket betyder at væsken spreder sig helt ud, " siger Wilke. Disse omfatter mange af de kølemidler, der bruges i klimaanlæg og køleskabe, kulbrinter, såsom dem, der anvendes som brændstoffer og smøremidler, og mange alkoholer. "De er meget svære at afvise. Den eneste måde at gøre det på er gennem meget specifik overfladegeometri, som ikke er så let at lave, " tilføjer han.

Forskellige grupper arbejder med fremstillingsmetoder, han siger, men med overfladeegenskaber målt i snesevis af mikron (milliontedele af en meter) eller mindre, "det kan gøre det ret svært at fremstille, og kan gøre overfladerne ret skrøbelige. "

Hvis sådanne overflader er beskadigede - f.eks. hvis en af ​​de små søjler er bøjet eller brudt - kan det besejre hele processen. "Én lokal defekt kan ødelægge hele overfladens evne til at afvise væsker, " siger han. Og kondens, såsom dugdannelse på grund af en temperaturforskel mellem luften og overfladen, handler på samme måde, ødelægger alfobiciteten.

"Vi overvejede:Hvordan kan vi miste noget af afvisningen, men gøre overfladen robust" mod både skader og dug, siger Wilke. "Vi ønskede en struktur, som én defekt ikke ville ødelægge." Efter megen beregning og eksperimentering, de fandt en geometri, der opfylder dette mål tak, delvis, til mikroskopiske luftlommer, der er afbrudt snarere end forbundet på overfladerne, gør spredning mellem lommer meget mindre sandsynligt.

Funktionerne skal være meget små, han forklarer, fordi når dråber dannes, er de til at begynde med på skalaen af ​​nanometer, eller milliardtedele af en meter, og afstanden mellem disse voksende dråber kan være mindre end et mikrometer.

Nøglearkitekturen, som teamet udviklede, er baseret på kamme, hvis profiler ligner et bogstav T, eller i nogle tilfælde et bogstav T med seriffer (de små kroge i enderne af bogstavstrøg i nogle skrifttyper). Både selve formen og afstanden mellem disse kamme er vigtige for at opnå overfladens modstandsdygtighed over for skader og kondens. Formerne er designet til at bruge væskens overfladespænding til at forhindre den i at trænge ind i de små overfladelommer af luft, og måden, hvorpå kammene forbinder, forhindrer, at lokal indtrængning af overfladehulrummene spredes til andre i nærheden - som holdet har bekræftet i laboratorietests.

Kammene er lavet i en flertrinsproces ved hjælp af standard mikrochip-fremstillingssystemer, først ætser mellemrummene mellem kammene, beklæd derefter kanterne af søjlerne, æts derefter disse belægninger væk for at skabe fordybningen i kammenes sider, efterlader et svampelignende udhæng i toppen.

På grund af begrænsningerne i den nuværende teknologi, Wilke siger, Omnifobiske overflader bruges sjældent i dag, men forbedring af deres holdbarhed og modstandsdygtighed over for kondens kan muliggøre mange nye anvendelser. Systemet har brug for yderligere forfining, selvom, ud over dette indledende bevis på konceptet. Potentielt, det kan bruges til at lave selvrensende overflader, og forbedre modstanden mod isopbygning, at forbedre effektiviteten af ​​varmeoverførsel i industrielle processer, herunder elproduktion, og for at reducere modstand på overflader som f.eks. skibsskrog.

Sådanne overflader kan også yde beskyttelse mod korrosion, ved at reducere kontakten mellem materialets overflade og eventuelle ætsende væsker, som den kan blive udsat for, siger forskerne. Og fordi den nye metode giver mulighed for præcist at designe overfladearkitekturen, Wilke siger, at det kan bruges til at "skræddersy, hvordan en overflade interagerer med væsker, såsom til at skræddersy varmeoverførslen til termisk styring i højtydende enheder."

Chang-Jin Kim, en professor i mekanisk og rumfartsteknik ved University of California i Los Angeles, som ikke var involveret i dette arbejde, siger "En af de mest betydningsfulde begrænsninger ved omnifobiske overflader er, at mens en sådan overflade har en overlegen væskeafvisningsevne, hele overfladen vædes, når væsken kommer ind i hulrummene i den teksturerede overflade nogle steder. Denne nye tilgang adresserer netop denne begrænsning."

Kim tilføjer, at "Jeg kan godt lide, at deres nøgleidé var baseret på grundlæggende videnskab, mens deres mål var at løse et nøgleproblem i det virkelige liv. Det problem, de tog fat på, er et vigtigt, men meget vanskeligt problem." Og, han siger, "Denne tilgang kan potentielt gøre nogle af de omnifobiske overflader nyttige og praktiske til nogle vigtige applikationer."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.