Kontrol af, hvordan ulige paroverflader og væsker interagerer

Befugtningen af ​​en overflade – uanset om dråber af vand eller en anden væske perler op eller spredes ud, når de kommer i kontakt med den – er en afgørende faktor i en lang række kommercielle og industrielle applikationer, såsom hvor effektivt kedler og kondensatorer arbejder ved strøm. anlæg eller hvordan varmerør leder varmen væk i industrielle processer. Denne egenskab har længe været set som en fast egenskab ved et givet par flydende og faste materialer, men nu har MIT-forskere udviklet en måde at få selv de mest usandsynlige sammenkoblinger af materialer til at få et ønsket niveau af befugtning.

Den nye proces er beskrevet i denne uge i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), i et papir af MIT postdocs Kyle Wilke, Zhengmao Lu og Youngsop Song og professor i maskinteknik Evelyn Wang.

Befugtningsevnen er normalt tæt forbundet med en væskes overfladespændingsegenskaber - jo højere overfladespændingen er, jo mere sandsynligt er det, at væsken danner perler på en overflade i stedet for at sprede sig ud for at fugte overfladen. Kviksølv har en usædvanlig høj overfladespænding og anses derfor for at være meget ikke-befugtende, og derfor valgte holdet denne notorisk vanskelige væske til en af ​​deres demonstrationer. De var i stand til at producere en overflade, lavet af et typisk ikke-befugtende materiale, der fik kviksølv til at sprede sig over den uden en kemisk reaktion, noget der aldrig før er blevet demonstreret.

Den nye metode er baseret på teksturering af overfladen, uanset dens sammensætning, med tætsiddende fordybninger, der har "tilbagegående åbninger" - det vil sige, at åbningen i toppen er smallere end resten af ​​hulrummet, snarere som en krukke med en smal mund. Denne teksturerede overflade er forbehandlet med en væske, der fylder alle disse hulrum og efterlader udsatte områder af væske i disse åbninger på tværs af overfladen, hvilket ændrer overfladens egenskaber. Når der tilsættes en anden væske, som afhængigt af applikationen kan være den samme eller forskellig fra den, der er forudfyldt i overfladen, ændres dens reaktion på overfladen fra ikke-befugtende til befugtende.

Overflader, der har en høj befugtningsevne for vand, er kendt som hydrofile, og de, der ikke er fugtige for vand, er kendt som hydrofobe. Befugtbarhed eller ikke-befugtbarhed er den generiske betegnelse for sådan adfærd, uanset hvilken væske der er involveret.

Mens tilbagevendende overflader er blevet demonstreret før til andre formål, er dette arbejde det første, der viser, at de kan bruges til at ændre overfladen for at producere "befugtningsregimer, der ikke er blevet demonstreret før," siger Wang, der er Ford Professor of Engineering og leder af MIT's Department of Mechanical Engineering.

Resultaterne er så nye, at der kan være mange applikationer i den virkelige verden, som teamet ikke har tænkt på endnu, siger Wilke:"Det er noget, vi er virkelig spændte på at begynde at udforske," siger han. Men termisk styring i forskellige industrielle processer vil sandsynligvis være blandt de første praktiske anvendelser. Den måde, hvorpå vand eller en anden arbejdsvæske spredes eller undlader at sprede sig på tværs af kondensatoroverflader, kan have stor indflydelse på effektiviteten af ​​mange processer, der involverer fordampning og kondensering, herunder elektriske kraftværker og kemiske behandlingsanlæg.

"Vi har nu taget en ikke-vædende overflade og gjort den fugtig," siger Wilke. "Folk har tidligere gjort det modsatte tilfælde, at tage noget, der er væde og gøre det ikke-væde." Dette nye arbejde åbner således døren til at kunne udøve næsten total kontrol over befugtningsevnen for forskellige kombinationer af overfladematerialer og væsker.

"Vi kan nu skabe overflader, der har de mest tænkelige kombinationer af fugtbarhed," siger Wilke. "Jeg tror, ​​at dette helt sikkert kan åbne op for nogle virkelig spændende applikationer, som vi søger at udforske."

Et område, der er lovende, er i beskyttende belægninger. Mange materialer, der bruges til at beskytte overflader mod barske kemikalier, er fluorerede forbindelser, som er stærkt ikke-befugtende, hvilket kan gøre dem uegnede til mange anvendelser. At gøre disse overflader fugtige kan åbne op for mange nye potentielle anvendelser for sådanne belægninger.

Højtemperatur varmerør, der bruges til at lede varme fra et sted til et andet, såsom til kølemaskiner eller elektronik, er en anden lovende anvendelse. "Mange af disse arbejdsvæsker er flydende metal, og de er kendt for at have meget høj overfladespænding," siger Lu. Det begrænser drastisk valget af sådanne væsker, og denne nye tilgang kunne åbne op for mulige materialevalg.

Mens de komplekse overfladeindrykninger til denne forskning blev fremstillet ved hjælp af halvlederfremstillingsprocesser, udforsker teamet andre måder at opnå den samme form for teksturering ved hjælp af 3D-print eller en anden proces, der lettere kunne skaleres op til applikationer i den virkelige verden.

Holdet udforsker også variationer i størrelser og former af disse genindtrædende åbninger. For eksempel, siger Lu, mens det er overfladearealet og afstanden mellem disse åbninger, der for det meste bestemmer deres befugtningsadfærd, kan deres dybde påvirke, hvor stabil denne adfærd er, fordi dybere huller er mere modstandsdygtige over for fordampning, der kan underminere befugtningsforbedringerne. "Afstanden til bunden af ​​kanalen er en kritisk dimension, der kan påvirke befugtningsadfærden," siger han. Disse variationer undersøges i opfølgningsarbejdet.

Ved at bruge kviksølv, siger Lu, "valgte holdet vores geometrisæt baseret på dette mest vanskelige tilfælde," og var stadig i stand til at demonstrere høj fugtbarhed. "Så for mindre vanskelige kombinationer har du mere fleksibilitet til at vælge sandsynligvis nemmere at lave geometrier."

"Der er formentlig mange industrier, der vil gavne," siger Wang, "uanset om det er en kemisk procesindustri eller en vandbehandlingsindustri eller en termisk produktindustri." Et af de næste skridt, holdet vil tage, siger hun, er "at tale med disse forskellige industrier for at identificere, hvor den nærmeste mulighed er på sigt." + Udforsk yderligere

Glatte hydrofobe belægninger kan være mere effektive til afisning af fly

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.