新型表面设计克服冷凝,提供了液体排斥曲面的新方法

液体排斥表面的新方法

这张照片显示了由麻省理工学院研究人员开发的纳米结构表面上的水滴。颜色是由从表面上的微小结构的可见光的衍射引起的,具有特殊设计的形状的脊。图片:Kyle Wilke

“乌米哌福音”可能听起来像是一种描述害怕一切的人的一种方式,但它实际上是指几乎任何液体的特殊类型的表面。这种表面可能潜在地用于从船体减少阻力和提高效率的船体中的所有内容,以抵抗污渍和防止损坏化学品的覆盖物。但是,到目前为止开发的全纤维表面遭受重大问题:冷凝可以快速禁用它们的液体脱落性能。

现在,研究人员麻省理工学院已经找到了一种克服这种效果的方法,产生了一种巨大地减少凝结效果的表面设计,尽管在性能下略有牺牲。新发现在Journal ACS Nano中描述,在一篇文章中,由研究生Kyle Wilke,机械工程和部门负责人Avelyn Wang和其他两位。

创建可以脱落的表面几乎所有液体都需要精确的质地,该纹理产生一系列由支柱或脊分开的微观空气口袋。这些气体口袋将大部分液体远离与表面直接接触,防止其“润湿”或铺设出来覆盖整个表面。相反,液体珠倒入液滴中。

“许多液体都是完全润湿的,这意味着液体完全蔓延出来,”Wilke说。这些包括空调和冰箱中使用的许多制冷剂,碳氢化合物,例如用作燃料和润滑剂的碳氢化合物和许多醇。“那些很难被击退。他的唯一方法是通过非常具体的表面几何形状,这并不容易制作,“他补充道。

液体排斥表面

展示材料耐受冷凝的能力,这张照片表明,即使表面开始被新成型的露珠覆盖,液滴也保持圆形,这在表面上被视为斑点图案。图片:Kyle Wilke

他说,各种团体正在制造制造方法,但是表面特征在几十微米(米)或更小的表面上测量,“它可以使其非常难以制造,并且可以使表面非常脆弱。”

如果这种表面被损坏 - 例如,如果其中一个微小的柱子弯曲或破碎 - 它可以打败整个过程。“一个地方缺陷可以破坏整个表面的击退液体的能力,”他说。和冷凝,例如露水形成,因为空气和表面之间的温差,以相同的方式起作用,破坏唯一性。

Wilke说,“我们考虑了:我们如何失去一些排斥性,而是使表面疲劳”对抗伤害和露水。“我们希望一个缺陷不会破坏的结构。”经过大量的计算和实验后,他们发现一个几何形状,符合该目标,其中,部分地致以断开的微观空气袋而不是连接在表面上,使口袋之间的扩散不太可能。

他解释说,该特征必须非常小,因为当液滴形成时,它们最初处于纳米的等级,或者这些生长液滴之间的间距可以小于千分尺。

该团队开发的关键架构基于其配置文件类似于字母T的脊,或者在某些情况下使用Serifs的字母t(在某些字体中的字母中风的末尾的微小钩子)。这些脊的形状本身和间距都很重要,可以实现表面对损坏和冷凝的抵抗力。形状旨在使用液体的表面张力以防止其穿透空气的微小表面袋,并且脊连接阻止表面腔的任何局部穿透到附近的其他人 - 随着团队的确认实验室测试。

The ridges are made in a multistep process using standard microchip manufacturing systems, first etching away the spaces between ridges, then coating the edges of the pillars, then etching away those coatings to create the indentation in the ridges’ sides, leaving a mushroom-like overhang at the top.

由于目前技术的局限性,Wilke表示,今天很少使用Omniphobic表面,但提高了他们的耐用性和对凝结的抵抗可以实现许多新用途。但是,该系统将需要进一步改进,超出了概念的初步证明。潜在地,它可以用来制造自清洁表面,并改善冰块的抵抗力,以提高包括发电的工业过程中的热传递效率,并减少船体船体等船舶的拖动。

通过减少材料表面和任何腐蚀性液体,研究人员表示,这种表面还可以提供防腐蚀的保护。由于新方法提供了一种精确设计表面架构的方法,Wilke表示它可以用于“剪裁表面如何与液体相互作用,例如用于定制高性能设备中热管理的传热。”

加州大学在没有参与这项工作的加州大学机械和航空航天工程教授,说:“无奈表面的最大限制之一是,这种表面具有优异的液体泄漏,一旦液体在某些位置处的纹理表面中的空隙进入空隙,整个表面就会润湿。这种新方法解决了这个非常限制。“

Kim补充说,“我喜欢他们的关键观基于基础科学,而他们的目标是解决一个关键的现实生活问题。他们所解决的问题是一个重要但非常困难的问题。“他说,“这种方法可能会使一些唯一的表面具有一些重要应用的唯一应用。”

研究团队还包括丹尼尔普雷斯顿和正茂路的前研究生。在阿布扎比(现为Khalifa University),Abu Dhabi National Oil Company,海军研究办公室,气势办公室,科学研究的空军办公室,科学研究办公室的合作协议,支持这项工作得到支持。国家科学基金会。

出版物:Kyle L. Wilke等,“朝着抗凝固的唯一虫草表面,”ACS Nano,2018;DOI:10.1021 / ACSNANO.8B05099

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