Супергідрофобні поверхні навчили ефективно кип'ятити воду

Американські фізики знайшли спосіб підвищити ефективність передачі тепла від супергідрофобної поверхні до киплячої рідини. Щоб поверхня при цьому не покривалася суцільним газовим шаром, вона повинна спочатку перебувати в потрібному стані, коли всі поглиблення на ній заповнені водою, пишуть вчені в.

Супергідрофобні поверхні мають дві головні особливості: по-перше вони дуже шорсткі, а по-друге зроблені з гідрофобного матеріалу. Завдяки поєднанню цих властивостей при контакті з водою на міжфазному кордоні можуть «застрягати» бульбашки газу, що зокрема, призводить до збільшення кута змочування. Залежно від форми шорсткостей і матеріалу, з якого ця супергідрофобна поверхня складається, вона може знаходитися в двох станах: у стані Кассі, в якому поглиблення на поверхні заповнені рідиною, або в стані Венцеля, коли газовий шар на міжфазному кордоні стає нестійким і всі поглиблення заповнюються рідиною. Обидва цих стани можна спостерігати, і якщо покласти водну краплю зверху на поверхню, і якщо всю поверхню цілком помістити під воду.

Через те, що по супергідрофобних поверхнях вода рухається швидше, ніж по гладких гідрофільних поверхнях, їх нерідко пропонують використовувати для ефективного відведення тепла. Однак при закипанні води між поверхнею і водою формується безперервна газова плівка, яка значно знижує ефективність теплопереноса. Американські фізики з Університету Пердью під керівництвом Суреша Гарімелли (Suresh Garimella) вирішили перевірити, чи можна супергідрофобні поверхні хоча б в одному з можливих станів використовувати для ефективної передачі тепла. Для цього вчені розглянули два типи поверхонь: перша була зроблена за допомогою лазерного цькування з міді, і характерний розмір поглиблень на ній становив одиниці або десятки мікрометрів, а другу - отримали за допомогою хімічного цькування з оксиду міді, і вона складалася з окремих ниток нанометрового розміру з порами між ними.

У звичайному стані обидві ці поверхні гідрофільні, однак якщо їх покрити шаром гідрофобного матеріалу (в даній роботі був обраний полідіметилсілоксан), то поверхня стає супергідрофобною і, залежно від зовнішніх умов, може перебувати або в стані Кассі, коли з рідиною контактують тільки виступаючі ділянки текстури, або в стані Венцеля. Всі можливі варіанти поверхонь (з двома масштабами поверхневої текстури і в трьох станах змочування) вчені поміщали під воду і дивилися, як при нагріванні відбувається зародження газових бульбашок, їх зріст і відрив від поверхні. «Якість» кожної з поверхонь вчені оцінювали по максимальному потоку тепла, який вдається при кипінні передавати від твердої поверхні рідини до моменту, коли поверхня повністю покриється газовим шаром.

У кожному з випадків виступи і поглиблення на поверхні ставали центрами нуклеації газових бульбашок, але через різний початковий стан механізми зростання і відриву бульбашок пара для різних станів поверхні відрізнялися. При цьому виявилося, що від розміру текстури механізм зростання газових бульбашок практично не залежить (хоча, наприклад, на крайовий кут цей параметр впливає сильно), а визначається початковим станом змочування. Так, для поверхні, що спочатку знаходиться в стані Кассі, практично відразу відбувається утворення газового шару, що різко знижує ефективність передачі тепла від поверхні до рідини.

Якщо в разі стану Кассі критичний потік тепла склав приблизно 2,1 ватт на квадратний сантиметр, то для супергідрофобної поверхні, що спочатку знаходиться в стані Венцеля, ця величина піднімалася відразу до 115 ватт на квадратний сантиметр, що дуже близько до теоретичної межі для гідрофільних поверхонь. Таке високе значення вчені пояснили механізмом руху крайової лінії, яка в стані Кассі відносно вільно рухається вздовж поверхні, а в стані Венцеля - жорстко закріплена на виступах текстури. При цьому, на відміну від гідрофільної поверхні, в стані Венцеля через шорсткість значно більше центрів нуклеації газових бульбашок, що призводить до меншого перегріву твердої поверхні.

Автори роботи зазначають, що подібний механізм і зараз природним чином реалізується в деяких технологічних додатках, проте точне розуміння причин і шляхів протікання процесу дозволить керувати ним за допомогою зовнішніх умов і підвищити таким чином ефективність передачі тепла від нагрітої поверхні рідини.

Супергідрофобні поверхні нерідко пропонують використовувати для процесів, пов'язаних з охолодженням і перенесенням тепла. Наприклад, американські інженери розробили систему пасивного охолодження електроніки, яка відводить тепло від гарячих зон за рахунок підстрибування крапель на супергідрофобній поверхні при їх злитті.