Функционирует при финансовой поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям (Роспечать)

Физики заморозили микрокаплю в форме цилиндра

Xiaoyang Li et al. / Langmuir, 2020

Китайские физики заморозили капли воды и суспензии наночастиц оксида алюминия на супергидрофобной поверхности из нано/микро-структурированного оксида меди. В ходе эксперимента ученые следили за распределением температур и формой капель: капли воды замерзли с острым кончиком на вершине, тогда как наносуспензия замерзла в форме цилиндра. Авторы предполагают, что все дело во втором потоке тепла в капле, который увеличивает горизонтальное расширение на вершине капли. Статья опубликована в журнале Langmuir.

Маленькие капли воды замерзают на холодных поверхностях — это начальная стадия образования инея, который мешает эффективно обмениваться теплом, например, в холодильниках. Чтобы с этим бороться, инженеры разрабатывают сложные поверхности, мешающие появлению зародышей льда или снижающие адгезию инея к поверхности.

Но к этому процессу подходят и с теоретической точки зрения: ученые моделировали процессы заморозки капли на переохлажденной поверхности и обнаружили, что она кристаллизуется с образованием острой вершины. Это происходит благодаря тому, что плотность жидкости выше плотности твердого тела (такие процессы наблюдаются для веществ с отрицательным коэффициентом термического расширения).

В последнее время в качестве среды для переноса тепла начали использовать жидкости с диспергированными наночастицами. Китайские ученые проверили, как такие капли замерзают на гидрофильных поверхностях, которые, к слову, ухудшают теплоперенос и чувствительны к образованию наледи, — оказалось, что вместо острого кончика на вершине капли получается плоская площадка, площадь которой увеличивалась с концентрацией суспензированных наночастиц. И хотя коллоидные растворы наночастиц считаются перспективной теплообменной средой, с образованием наледи вопрос еще не решен.

Сяоян Ли (Xiaoyang Li) с коллегами из Нанкинского университета науки и технологий решили проверить процесс замерзания суспензии наночастиц оксида алюминия на супергидрофобной поверхности из нано/микро-структурированного оксида меди. Для изготовления поверхности они использовали медную фольгу, которую подвергли лазерной абляции, химическому травлению в щелочном растворе и покрыли слоем фторсилана (1H,1H,2H,2H-перфлюорооктил-трихлорисилана). А чтобы получить суспензию наночастиц оксида алюминия, в которую обычно добавляют поверхностно активные вещества, физики диспергировали уже готовые наночастицы с помощью ультразвука без добавления ПАВов, чтобы не повлиять на супергидрофобные условия поверхности.


Получившиеся супергидрофобные поверхности выглядят как массив столбиков с высотой в 220 микрометров с одинаковыми промежутками между ними (в ходе эксперимента ученые выбрали межстолбиковые расстояния в 100, 125 и 150 микрометров). При комнатной температуре краевой угол смачивания капель воды и наносуспензии был равен 150 градусам, что вполне характеризует поверхность как супергидрофобную.

Для наблюдения за замерзанием капель наносуспензии ученые помещали каплю объемом в пять микролитров на поверхность с температурой в −5 градусов по Цельсию. Затем процесс снимался на камеры с частотой 60 кадров в секунду, а температура капли измерялась с помощью инфракрасной камеры. При попадании капли на поверхность она моментально начинала охлаждаться, пока не достигала достаточного для нуклеации переохлаждения. При отвердении жидкости выделилась скрытая теплота фазового перехода, что вызывало достаточно значительное повышение температуры до 0,8 градуса по Цельсию, однако на процесс обледенения это не повлияло.

Через 1116 секунд после контакта с поверхностью капля полностью замерзла в форме деформированного цилиндра, при этом на верхней поверхности образовалось кофейное пятно, а сама капля стала более прозрачной, чем была до контакта. Эти факты натолкнули ученых на мысль о том, что в процессе заморозки наночастицы перераспределяются и перемещаются к верхушке капли, оставляя замерзать чистую воду.

Чтобы оценить, как распределяются потоки тепла внутри капли, физики промоделировали с помощью метода конечных элементов процесс взаимодействия жидкость-газ-твердое тело с учетом конвекции Марангони и теплообмен через поверхность раздела фаз жидкое-газ. Теплопроводность наносуспензии была в 1,1 раза больше теплопроводности чистой воды (0,64 мегаватта на метр квадратный на кельвин). Поток тепла начался с центральной оси, через 0,4 секунды благодаря эффекту Марангони появился циркулирующий поток в полусфере, еще через 0,4 секунды появился второй циркулирующий поток, затем потоки вновь объединились к 1,2 секунды (при этом повысился уровень замерзшей жидкости), а к 1,8 секунде снова появилось два потока. Как раз образование двух циркулирующих потоков и приводит к плоской форме фронта заморозки, что и делает замерзшую каплю цилиндрической.


Образование тонкого кончика в замерзшей капле воды и плато в замерзшей капле наносуспензии проявилось при всех концентрациях наночастиц и при всех видах супергидрофобных поверхностей. В зависимости от концентрации частиц ученые вновь видели разную площадь плато. По мнению ученых использование таких нано/микро-структурированных поверхностей оксида меди увеличивает практически вдвое время замерзания капли, однако добавление наночастиц наоборот снижает его, зато образующаяся цилиндрическая наледь оказывается меньше по толщине, что так же помогает снизить теплопотери в теплоотводящих системах.


От редактора

После публикации заметки заголовок был изменен на более корректный.
Супергидрофобные материалы не смачиваются водой, что давно использует природа, например, в лотосах или крыльях бабочек. А год назад японские ученые, вдохновившись кожей рыбы-ежа, сделали супергидрофобное покрытие достаточно прочным и эластичным, что позволит использовать такой эффект в быту еще эффективнее.

Артем Моськин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.