Двухуровневая текстура помогла гидрофильной поверхности сконденсировать и отвести воду

Американские ученые разработали гидрофильную шероховатую поверхность, которая позволяет одновременно и эффективно конденсировать на себе воду из внешней среды, и быстро отводить ее в нужном направлении. К такому эффекту приводит иерархическая текстура, при которой на поверхности крупных бороздок находятся более мелкие наношероховатости, а также пропитка гидрофильной смазочной жидкостью, пишут ученые в Science Advances.

Обычно, чтобы увеличить подвижность капель воды на твердых поверхностях, ученые предлагают делать их супергидрофобными. За счет сочетания шероховатости и гидрофобности на границе между каплей воды и твердым материалом формируется устойчивая прослойка воздуха, которая с одной стороны повышает угол смачивания и заставляет капли воды сохранять почти сферическую форму, а с другой — делает поверхность очень скользкой для жидкости. В качестве альтернативного способа повышения подвижности капель на поверхности физики используют пропитку текстурированной поверхности гидрофобным маслом. Однако, несмотря на увеличенную подвижность капель на обоих типах поверхностей, из-за высокого энергетического барьера вода на них плохо конденсируется. Поэтому использовать их, например, для отвода воды в устройствах охлаждения или при сборе воды из распыленных водных аэрозолей, оказывается довольно неэффективно.

Чтобы решить эту проблему, американские физики под руководством Вонга Так-Синга (Tak-Sing Wong) из Университета штата Пенсильвания предложили способ создания поверхности, которая эффективно конденсирует на себе воду, но при этом достаточно скользкая, чтобы налипшие капли быстро с нее стекали. В отличие от большинства использовавшихся ранее вариантов, разработанная учеными поверхность не гидрофобная, а гидрофильная. На нее наносится текстура параллельных прямоугольных канавок, которые пропитываются гидрофильным жидким веществом, так чтобы оно совсем тонким слоем полностью покрывало в том числе и выступающие части. Эта жидкость выполняет роль гидрофильного смазочного слоя, по которому капля воды может довольно свободно двигаться в нужном направлении.

В отличие от более традиционных способов пропитки с использованием гидрофобного масла, предложенный метод не только позволяет эффективно отводить осевшую на поверхность воду, но и конденсировать ее в достаточно большом объеме и с большим количеством центров нуклеации.

Еще более эффективным способом увеличения подвижности капель оказалось использование поверхностей с двойной текстурой. В таких материалах на поверхности первых микронных бороздок создается еще одна дополнительная текстура из таких же бороздок, но на наномасштабе. Тогда смазочным слоем пропитывается уже не большая текстура, а маленькая. Это позволяет жидкости затекать в большие канавки, но свободно двигаться вдоль них, практически не задерживаясь и не прикрепляясь к вертикальным стенкам.

С помощью компьютерного моделирования методом молекулярной динамики ученые показали, что к повышению скорости конденсации воды на таком материале приводит наличие на поверхности гидрофильных групп. При этом ускорение отвода воды вдоль бороздок связано со значительным уменьшением энергии зацепления капель за стенки канавок по сравнению с обычной гидрофильной поверхностью без двойной текстуры и смазочного слоя.

По словам авторов работы, полученные ими поверхности можно использовать для повышения эффективности охлаждающих устройств, способных быстро отводить использованную воду и тепло от перегретых элементов приборов.

Пока для повышения эффективности охлаждающих устройств, действие которых основано на использовании воды, все же чаще предлагают применять не гидрофильные, а супергидрофобные поверхности. Например, американские инженеры разработали систему пассивного охлаждения электроники, способную эффективно отводить тепло с помощью подпрыгивания капель на супергидрофобной поверхности при их слиянии. При этом совмещая супергидрофобные участки с плоскими гидрофобными, можно заставить жидкость течь по поверхности не случайным образом под действием внешних сил, а по строго заданному маршруту.

Александр Дубов