新颖表面设计克服了冷凝现象,为液体排斥表面的研究提供新的思路

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这张照片显示的是麻省理工学院研究人员在纳米结构表面放置的水滴。这些颜色是由表面微小结构的可见光衍射造成的,这些结构具有特殊设计的形状。

“全恐惧症”听起来像是形容一个人什么都害怕,但实际上它指的是一种特殊的表面,它几乎排斥任何液体。这样的表面可能被用于各种各样的领域,从减少阻力和提高效率的船壳,到抗污渍和防止化学物质破坏的覆盖物。但是,到目前为止发展起来的全疏水性表面存在一个主要问题:冷凝会迅速破坏它们的液体脱落特性。

现在,麻省理工学院的研究人员找到了一种克服这一影响的方法,设计出一种表面设计,可以大大减少冷凝的影响,尽管在性能上略有牺牲。这项新发现发表在ACS Nano杂志上,由机械工程教授兼系主任凯尔·威尔克和另外两名研究生发表在一篇论文中。

创造一个表面,可以摆脱几乎所有的液体需要一种精确的纹理,创建一个由柱子或山脊分开的微观空气袋阵列。这些气穴使大部分液体不与表面直接接触,防止液体“润湿”或扩散到整个表面。相反,液滴变成了液滴。

威尔克说:“许多液体完全湿润,这意味着液体完全散开。其中包括空调和冰箱中使用的许多制冷剂、用作燃料和润滑剂的碳氢化合物以及许多酒精。“这些很难击退。唯一的方法是通过非常具体的表面几何,这不是那么容易做到的,”他补充说。

这张照片显示,即使表面开始被新形成的露珠覆盖,这些水滴仍然保持着圆形的形状。露珠被看作是表面上的斑点图案。

他说,不同的研究小组正在研究制造方法,但表面特征的测量单位是几十微米(百万分之一米)或更少,“这会使制造相当困难,也会使表面相当脆弱。”

如果这些表面被损坏——例如,如果其中一根小柱子弯曲或折断——它可以破坏整个过程。“一个局部缺陷就能破坏整个表面排斥液体的能力,”他说。而凝结,例如由于空气和表面的温差而形成的露珠,也以同样的方式起作用,破坏了这种全疏水性。

威尔克说:“我们考虑了这样一个问题:我们怎样才能在失去一些驱避性的同时,让表面变得更坚固”,既能抵御伤害,又能抵御露水。“我们想要一个一个缺陷都不会破坏的结构。经过大量的计算和实验,他们发现了一种符合这一目标的几何形状,这在一定程度上要归功于微观的空气袋,这些空气袋是不连续的,而不是在表面上相连的,这大大降低了空气袋之间扩散的可能性。

他解释说,这些特征必须非常小,因为当液滴形成时,它们最初的尺寸是纳米级的,或者十亿分之一米,而这些正在生长的液滴之间的距离可以小于一微米。

该团队开发的关键架构基于脊线,脊线的概要文件类似于字母T,或者在某些情况下类似于带有serifs的字母T(在某些字体中,字母笔画末端的小挂钩)。形状本身和这些脊线的间距对于实现表面的抗损伤和抗凝结都很重要。形状设计使用液体的表面张力,以防止它穿透表面的小口袋里的空气,和山脊的方式连接防止蛀牙表面的任何地方渗透蔓延到其他附近——团队已经确认在实验室测试。

这些脊线是用标准的微芯片制造系统经过多步加工制成的,首先蚀刻脊线之间的空间,然后涂在柱子的边缘,然后蚀刻这些涂层,在脊线的两侧形成凹痕,在顶端留下蘑菇状的悬垂。

由于目前技术的局限性,威尔克说,全疏水性表面在今天很少被使用,但是提高它们的耐用性和抗凝结性可以使许多新用途成为可能。不过,除了这个概念的初步证明之外,该系统还需要进一步完善。有潜力的是,它可以用来制造自清洁表面,提高对冰堆积的抵抗力,提高包括发电在内的工业过程中的传热效率,以及减少对船体等表面的阻力。

研究人员说,通过减少材料表面与任何可能接触到的腐蚀性液体之间的接触,这种表面也可以提供防腐保护。由于这种新方法提供了一种精确设计表面结构的方法,威尔克说,它可以用于“剪裁表面与液体的相互作用,比如为高性能设备的热管理量身定做热传递。”新颖表面设计克服了冷凝现象,为液体排斥表面的研究提供新的思路

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