Ключом к новой обработке поверхности является добавление текстур в нескольких разных масштабах. Изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, показывают столбики и вмятины миллиметрового масштаба (первые два изображения), поверхности которых покрыты крошечными гребнями нанометрового размера (два нижних изображения) для повышения эффективности реакции кипения. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

Кипячение воды или других жидкостей является энергоемким этапом в основе широкого спектра промышленных процессов, включая большинство электростанций, многие системы химического производства и даже системы охлаждения для электроники.

Повышение эффективности систем, которые нагревают и испаряют воду, могло бы значительно снизить их энергопотребление. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ сделать это с помощью специальной обработки поверхности материалов, используемых в этих системах.

Повышенная эффективность достигается за счет комбинации трех различных видов модификации поверхности в разных масштабах. Новые результаты описаны в журнале Advanced Materials в статье недавнего выпускника Массачусетского технологического института Янгсупа Сонга, доктора философии. 21 год, профессор технических наук Ford Эвелин Ван и еще четверо из Массачусетского технологического института. Исследователи отмечают, что этот первоначальный вывод все еще находится в лабораторных масштабах, и требуется дополнительная работа для разработки практического процесса в промышленных масштабах.

Есть два ключевых параметра, описывающих процесс кипения: коэффициент теплопередачи (КТК) и критический тепловой поток (КТР). В дизайне материалов обычно существует компромисс между ними, поэтому все, что улучшает один из этих параметров, имеет тенденцию ухудшать другой. Но оба важны для эффективности системы, и теперь, после многих лет работы, команда добилась способа значительного улучшения обоих свойств одновременно за счет комбинации различных текстур, добавленных к поверхности материала.

Высокоскоростное видео испытательной установки исследователей показывает кипение воды на специально обработанной поверхности, в результате чего пузырьки образуются в определенных отдельных точках, а не распространяются пленкой по поверхности, что приводит к более эффективному кипению. Видео было замедлено в 100 раз, чтобы показать больше деталей. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

«Оба параметра важны, — говорит Сонг, — но улучшить оба параметра вместе довольно сложно, потому что они имеют внутренний компромисс». Причина этого, объясняет он, заключается в том, что «если у нас много пузырьков на поверхности кипения, это означает, что кипение очень эффективно, но если у нас слишком много пузырьков на поверхности, они могут сливаться вместе, что может привести к образованию пара пленки на поверхности кипения». Эта пленка препятствует передаче тепла от горячей поверхности к воде. «Если у нас есть пар между поверхностью и водой, это снижает эффективность теплопередачи и снижает значение CHF», — говорит он.

Сонг, который сейчас является постдоком в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, провел большую часть исследований в рамках своей докторской диссертации в Массачусетском технологическом институте. Хотя различные компоненты новой обработки поверхности, которую он разработал, были изучены ранее, исследователи говорят, что эта работа является первой, которая показывает, что эти методы могут быть объединены для преодоления компромисса между двумя конкурирующими параметрами.

Добавление ряда микроразмерных полостей или вмятин на поверхность — это способ контроля за тем, как пузырьки образуются на этой поверхности, удерживая их эффективно прикрепленными к местам вмятин и предотвращая их распространение в термостойкую пленку. В этой работе исследователи создали массив вмятин шириной 10 микрометров, разделенных примерно 2 миллиметрами, чтобы предотвратить образование пленки. Но это разделение также снижает концентрацию пузырьков на поверхности, что может снизить эффективность кипения. Чтобы компенсировать это, команда ввела обработку поверхности в гораздо меньшем масштабе, создавая крошечные выпуклости и гребни в нанометровом масштабе, что увеличивает площадь поверхности и способствует скорости испарения под пузырьками.

В этих экспериментах полости были сделаны в центрах ряда столбиков на поверхности материала. Эти столбики в сочетании с наноструктурами способствуют впитыванию жидкости от основания к их верхушкам, что ускоряет процесс кипения, увеличивая площадь поверхности, контактирующей с водой. По словам Сонга, в сочетании три «уровня» текстуры поверхности — разделение полостей, штифты и наноразмерное текстурирование — обеспечивают значительно повышенную эффективность процесса кипячения.

На фото видно, как пузырьки, поднимающиеся с нагретой поверхности, благодаря особой текстуре поверхности «закрепляются» в определенных местах, а не растекаются по всей поверхности. Предоставлено: Массачусетский технологический институт.

«Эти микрополости определяют положение, в котором появляются пузырьки», — говорит он. «Но, разделяя эти полости на 2 миллиметра, мы разделяем пузырьки и минимизируем слияние пузырьков». В то же время наноструктуры способствуют испарению под пузырьками, а капиллярное действие столбиков обеспечивает подачу жидкости к основанию пузырьков. Это поддерживает слой жидкой воды между поверхностью кипения и пузырьками пара, что увеличивает максимальный тепловой поток.

Хотя их работа подтвердила, что комбинация этих видов обработки поверхности может работать и достигать желаемых эффектов, эта работа была выполнена в небольших лабораторных условиях, которые нельзя было легко масштабировать до практических устройств, говорит Ван. «Такого рода структуры, которые мы создаем, не предназначены для масштабирования в их нынешнем виде», — говорит она, а скорее использовались для доказательства того, что такая система может работать. Следующим шагом будет поиск альтернативных способов создания таких текстур поверхности, чтобы эти методы можно было легко масштабировать до практических размеров.

«Показать, что мы можем контролировать поверхность таким образом, чтобы получить улучшения, — это первый шаг», — говорит она. «Тогда следующим шагом будет подумать о более масштабируемых подходах». Например, хотя столбы на поверхности в этих экспериментах были созданы с использованием методов чистых помещений, обычно используемых для производства полупроводниковых чипов, существуют и другие, менее требовательные способы создания таких структур, такие как электроосаждение. Существует также ряд различных способов создания текстур поверхностных наноструктур, некоторые из которых могут быть более легко масштабируемыми.

Могут быть некоторые важные небольшие приложения, которые могли бы использовать этот процесс в его нынешнем виде, например, управление температурным режимом электронных устройств, область, которая становится все более важной по мере того, как полупроводниковые устройства становятся меньше, а управление их тепловыделением становится все более важным. «Определенно есть место, где это действительно важно», — говорит Ван.

Для разработки даже таких приложений потребуется некоторое время, потому что обычно в системах терморегулирования для электроники используются жидкости, отличные от воды, известные как диэлектрические жидкости. Эти жидкости имеют другое поверхностное натяжение и другие свойства, чем вода, поэтому размеры поверхностных элементов должны быть соответствующим образом скорректированы. По словам Вана, работа над этими различиями — один из следующих шагов продолжающегося исследования.

По словам Сонга, этот же метод многомасштабного структурирования можно применять и к различным жидкостям, регулируя размеры с учетом различных свойств жидкостей. «Такие детали можно изменить, и это может стать нашим следующим шагом», — говорит он.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org