[ad_1]
Смачиваемость поверхности — будь то капли воды или другой жидкости, поднимающиеся или растекающиеся при соприкосновении с ней, — является решающим фактором в широком спектре коммерческих и промышленных применений, например, насколько эффективно котлы и конденсаторы работают в энергетике. заводов или как тепловые трубы отводят тепло в промышленных процессах. Эта характеристика долгое время рассматривалась как фиксированное свойство данной пары жидких и твердых материалов, но теперь исследователи Массачусетского технологического института разработали способ заставить даже самые маловероятные пары материалов приобретать желаемый уровень смачиваемости.
Новый процесс описан на этой неделе в журнале Труды Национальной академии наук (PNAS), в статье постдоков Массачусетского технологического института Кайла Уилке, Чжэнмао Лу и Янгсопа Сонга и профессора машиностроения Эвелин Ван.
Смачиваемость обычно тесно связана со свойствами поверхностного натяжения жидкости: чем выше поверхностное натяжение, тем больше вероятность того, что жидкость будет образовывать шарики на поверхности, а не растекаться, чтобы смочить поверхность. Ртуть обладает исключительно высоким поверхностным натяжением и поэтому считается очень несмачиваемой, поэтому команда выбрала эту общеизвестно сложную жидкость для одной из своих демонстраций. Они смогли создать поверхность, сделанную из обычно несмачиваемого материала, по которой ртуть распространялась без химической реакции, чего никогда раньше не демонстрировалось.
Новый метод основан на текстурировании поверхности независимо от ее состава близко расположенными углублениями, имеющими «входные отверстия» — то есть отверстие вверху уже, чем остальная полость, скорее как банка с узким рот. Эта текстурированная поверхность предварительно обрабатывается жидкостью, которая заполняет все эти полости, оставляя открытые области жидкости в этих отверстиях по всей поверхности, что изменяет свойства поверхности. Когда добавляется другая жидкость, которая в зависимости от применения может быть такой же или отличной от жидкости, предварительно загруженной в поверхность, ее реакция на поверхность меняется с несмачиваемой на смачивающую.
Поверхности, обладающие высокой смачиваемостью водой, называются гидрофильными, а не смачиваемые водой – гидрофобными. Смачиваемость или несмачиваемость – это общий термин для такого поведения, независимо от конкретной жидкости.
Хотя повторно входящие поверхности демонстрировались ранее для других целей, эта работа является первой, которая показывает, что их можно использовать для изменения поверхности для создания «режимов смачивания, которые не были продемонстрированы ранее», — говорит Ван, профессор инженерии Форда. и глава отдела машиностроения Массачусетского технологического института.
Полученные результаты настолько новы, что, возможно, существует множество реальных приложений, о которых команда еще не думала, говорит Уилке: «Это то, что мы очень рады начать исследовать», — говорит он. Но управление температурным режимом в различных промышленных процессах, вероятно, будет одним из первых практических применений. То, как вода или другая рабочая жидкость распространяется или не распространяется по поверхности конденсатора, может иметь большое влияние на эффективность многих процессов, связанных с испарением и конденсацией, включая электростанции и химические заводы.
«Теперь мы взяли несмачиваемую поверхность и сделали ее смачивающей, — говорит Уилке. «Люди ранее делали противоположный случай, беря что-то, что смачивается, и делая его несмачивающимся». Таким образом, эта новая работа открывает двери для возможности практически полного контроля смачиваемости различных комбинаций поверхностных материалов и жидкостей.
«Теперь мы можем создавать поверхности с самыми возможными комбинациями смачиваемости», — говорит Уилке. «Я думаю, что это определенно может открыть некоторые действительно интригующие приложения, которые мы хотим изучить».
Одной из многообещающих областей являются защитные покрытия. Многие материалы, используемые для защиты поверхностей от агрессивных химикатов, представляют собой фторированные соединения, которые сильно не смачиваются, что может сделать их непригодными для многих применений. Смачивание этих поверхностей может открыть много новых потенциальных применений для таких покрытий.
Еще одним многообещающим применением являются высокотемпературные тепловые трубы, используемые для передачи тепла из одного места в другое, например, для охлаждения оборудования или электроники. «Многие из этих рабочих жидкостей представляют собой жидкие металлы, и известно, что они обладают очень высоким поверхностным натяжением», — говорит Лу. Это резко ограничивает выбор таких жидкостей, и этот новый подход может открыть возможности выбора материалов.
В то время как сложные поверхностные углубления для этого исследования были изготовлены с использованием процессов производства полупроводников, команда изучает другие способы достижения такого же текстурирования с помощью 3D-печати или какого-либо другого процесса, который можно было бы легче масштабировать для реальных приложений.
Команда также изучает вариации размеров и форм этих входных отверстий. Например, говорит Лу, хотя площадь поверхности и расстояние между этими отверстиями в основном определяют их смачиваемость, их глубина может влиять на стабильность этого поведения, поскольку более глубокие отверстия более устойчивы к испарению, которое может подорвать улучшения смачиваемости. «Расстояние до дна канала является критическим параметром, который может повлиять на характеристики смачивания», — говорит он. Эти варианты изучаются в последующей работе.
Используя ртуть, говорит Лу, команда «выбрала наш набор геометрии на основе этого самого сложного случая» и все же смогла продемонстрировать высокую смачиваемость. «Таким образом, для менее сложных комбинаций у вас есть больше возможностей для выбора, вероятно, более легкой для создания геометрии».
«Вероятно, есть много отраслей, которые выиграют, — говорит Ван, — будь то химическая промышленность, промышленность по очистке воды или производство термических продуктов». По ее словам, один из следующих шагов, которые предпримет команда, — это «поговорить с этими различными отраслями, чтобы определить, где есть ближайшая возможность».
Работа была поддержана Национальным научным фондом через Центр наноразмерных систем, Совместной программой Массачусетского технологического института и Института Масдара, а также Управлением научных исследований ВВС.
[ad_2]
Source