Супергидрофобные поверхности научили эффективно кипятить воду
T. P. Allred et al./ Physical Review Letters, 2018
Американские физики нашли способ повысить эффективность передачи тепла от супергидрофобной поверхности к кипящей жидкости. Чтобы поверхность при этом не покрывалась сплошным газовым слоем, она должна изначально находиться в нужном состоянии, когда все углубления на ней заполнены водой, пишут ученые в Physical Review Letters.
Супергидрофобные поверхности имеют две главных особенности: во-первых они очень шероховатые, а во-вторых сделаны из гидрофобного материала. Благодаря сочетанию этих свойств при контакте с водой на межфазной границе могут «застревать» пузырьки газа, что в частности, приводит к увеличению угла смачивания. В зависимости от формы шероховатостей и материала, из которого эта супергидрофобная поверхность состоит, она может находиться в двух состояниях: в состоянии Касси, в котором углубления на поверхности заполнены жидкостью, или в состоянии Венцеля, когда газовый слой на межфазной границе становится неустойчивым и все углубления заполняются жидкостью. Оба этих состояния можно наблюдать, и если положить водную каплю сверху на поверхность, и если всю поверхность целиком поместить под воду.
Из-за того, что по супергидрофобным поверхностям вода движется быстрее, чем по гладким гидрофильным поверхностям, их нередко предлагают использовать для эффективного отвода тепла. Однако при закипании воды между поверхностью и водой формируется непрерывная газовая пленка, которая значительно снижает эффективность теплопереноса. Американские физики из Университет Пердью под руководством Суреша Гаримеллы (Suresh Garimella) решили проверить, можно ли супергидрофобные поверхности хотя бы в одном из возможных состояний использовать для эффективной передачи тепла. Для этого ученые рассмотрели два типа поверхностей: первая была сделана с помощью лазерного травления из меди, и характерный размер углублений на ней составлял единицы или десятки микрометров, а вторую — получили с помощью химического травления из оксида меди, и она состояла из отдельных нитей нанометрового размера с порами между ними.
Микрофотографии супергидрофобных поверхностей с микротекстурой (сверху) и нанотекстурой (снизу)
T. P. Allred et al./ Physical Review Letters, 2018
В обычном состоянии обе эти поверхности гидрофильные, однако если их покрыть слоем гидрофобного материала (в данной работе был выбран полидиметилсилоксан), то поверхность становится супергидрофобной и, в зависимости от внешних условий, может находиться или в состоянии Касси, когда с жидкостью контактируют только выступающие участки текстуры, или в состоянии Венцеля. Все возможные варианты поверхностей (с двумя масштабами поверхностной текстуры и в трех состояниях смачивания) ученые помещали под воду и смотрели, как при нагревании происходит зарождение газовых пузырьков, их рост и отрыв от поверхности. «Качество» каждой из поверхностей ученые оценивали по максимальному потоку тепла, который удается при кипении передавать от твердой поверхности жидкости до момента, когда поверхность полностью покроется газовым слоем.
В каждом из случаев выступы и углубления на поверхности становились центрами нуклеации газовых пузырьков, но из-за различного начального состояния механизмы роста и отрыва пузырьков пара для разных состояний поверхности отличались. При этом оказалось, что от размера текстуры механизм роста газовых пузырьков практически не зависит (хотя, например, на краевой угол этот параметр влияет сильно), а определяется начальным состоянием смачивания. Так, для поверхности, изначально находящейся в состоянии Касси, практически сразу происходит образование газового слоя, что резко снижает эффективность передачи тепла от поверхности к жидкости.
Два различных механизма кипения: в случае состояния Касси (слева) поверхность очень быстро покрывается непрерывной газовой пленкой, что приводит к снижению эффективности переноса тепла; в случае же состояния Венцеля (справа) пузырьки газа жестко закреплены на поверхности, и эффективность кипения не снижается
T. P. Allred et al./ Physical Review Letters, 2018
Два различных механизма кипения: в случае состояния Касси (слева) поверхность очень быстро покрывается непрерывной газовой пленкой, что приводит к снижению эффективности переноса тепла; в случае же состояния Венцеля (справа) пузырьки газа жестко закреплены на поверхности, и эффективность кипения не снижается
T. P. Allred et al./ Physical Review Letters, 2018
Если в случае состояния Касси критический поток тепла составил примерно 2,1 ватт на квадратный сантиметр, то для супергидрофобной поверхности, изначально находящейся в состоянии Венцеля, эта величина поднималась сразу до 115 ватт на квадратный сантиметр, что очень близко к теоретическому пределу для гидрофильных поверхностей. Такое высокое значение ученые объяснили механизмом движения краевой линии, которая в состоянии Касси относительно свободно двигается вдоль поверхности, а в состоянии Венцеля — жестко закреплена на выступах текстуры. При этом, в отличие от гидрофильной поверхности, в состоянии Венцеля из-за шероховатости значительно больше центров нуклеации газовых пузырьков, что приводит к меньшему перегреву твердой поверхности.
Механизм движения краевой линии во время кипения и фотографии растущего газового пузырька в состоянии Касси (сверху) и состоянии Венцеля (снизу)
T. P. Allred et al./ Physical Review Letters, 2018
Авторы работы отмечают, что подобный механизм и сейчас естественным образом реализуется в некоторых технологических приложениях, однако точное понимание причин и путей протекания процесса позволит управлять им с помощью внешних условий и повысить таким образом эффективность передачи тепла от нагретой поверхности жидкости.
Супергидрофобные поверхности нередко предлагают использовать для процессов, связанных с охлаждением и переносом тепла. Например, американские инженеры разработали систему пассивного охлаждения электроники, которая отводит тепло от горячих зон за счет подпрыгивания капель на супергидрофобной поверхности при их слиянии.
Александр Дубов
