Физики научились управлять пузырьками в кипящей воде

Пузырьки пара образуются только на заряженных пластинках.
Фотография: H. Jeremy Cho et al./ Nature Communications
Ученые из Массачусетского технологического института научились «включать» и «выключать» по желанию образование пузырьков на поверхности водонагревателей. При помощи нового метода можно точно управлять процессом кипения, добиваясь таким образом максимальной эффективности и избегая опасности перегрева. Исследование опубликовано в Nature Communications.
Для контроля образования пузырьков авторы изменяли смачиваемость поверхности нагревателя. Это достигалось за счет адсорбции-десорбции поверхностно-активных веществ (ПАВ) с незаряженным гидрофобным «хвостом» и заряженной «головой». Варьируя заряд нагревателя, ученые заставляли молекулы ПАВ садиться на поверхность или удаляться от нее.
Если нагреватель покрывался молекулами ПАВ, их гидрофобные «хвосты» торчали наружу, ухудшая смачиваемость поверхности. Из-за этого улучшалось образование пузырьков. В том случае, когда нагреватель был заряжен тем же знаком, что и «головы» молекул ПАВ, они покидали поверхность, смачиваемость улучшалась, и образование пузырьков вновь становилось невыгодным.
Контроль над образование пузырьков пара играет огромную роль в промышленных водонагревательных установках. Слишком слабое парообразование приводит к медленному отводу тепла от стенок и малой эффективности теплообмена. Тогда как слишком активная генерация пузырьков может вызвать образование сплошной прослойки пара на поверхности нагревателя, что в свою очередь приведет к перегреву и, вероятно, поломке.
Чаще всего образование пузырьков контролируют за счет температуры нагрева, а также пассивной модификации поверхности. Например, если нагреватель покрыть «лесом» наностержней, пузырьки образуются более равномерно. Существовали и «активные» методы, но для их реализации требовались разности потенциалов на несколько порядков выше, чем описано в новой работе.