В открытии, которое может привести к способам предотвращения образования инея на деталях самолетов, змеевиках конденсатора и даже ветровых стеклах, группа исследователей под руководством Технологического института Вирджинии использовала химические микропаттерны для контроля роста инея, вызванного конденсацией.
В опубликованном 22 января 2016 года выпуске Scientific Reports, онлайн-журнала издательства Nature, исследователи описывают, как они использовали фотолитографию для создания химических массивов, притягивающих воду, поверх поверхности, отталкивающей воду. тем самым контролируя или предотвращая распространение мороза.
Вдохновение для работы пришло из неожиданного источника - пустынного жука Намиб, который попал в заголовки газет, потому что живет в одном из самых жарких мест в мире, но до сих пор собирает переносимую по воздуху воду.
Насекомое имеет бугристый панцирь, и кончики бугорков притягивают влагу, образуя капли, а бока гладкие и отталкивают воду, образуя каналы, ведущие прямо в рот жука.
«Я ценю иронию того, как насекомое, которое живет в жаркой и сухой пустыне, вдохновило нас на открытие о морозе», - сказал Джонатан Борейко, доцент кафедры биомедицинской инженерии и механики в Техническом колледже Вирджинии. Инжиниринг. «Основной вывод из Desert Beetle заключается в том, что мы можем контролировать, где растут капли росы».
Работая в Национальной лаборатории Ок-Ридж, исследователи разработали свой химический образец, вдохновленный жуками, контролирующий мороз на поверхности размером всего около сантиметра, но они считают, что площадь может быть увеличена до больших площадей поверхности. с водоотталкивающими, гидрофильными узорами поверх гидрофобной или водоотталкивающей поверхности.
«Мы сделали единую сухую зону вокруг куска льда», - сказал Борейко. «Капли росы предпочтительно растут на массиве гидрофильных точек. Когда точки расположены достаточно далеко друг от друга и одна из капель замерзает в лед, лед больше не может распространять иней на соседние капли, потому что они находятся слишком далеко. Вместо этого, капли фактически полностью испаряются, создавая вокруг льда сухую зону."
Создание зон, свободных от инея, на больших поверхностях может иметь множество применений - например, вода, которая образуется и замерзает на змеевиках теплового насоса, или удаление льда с помощью агрессивных химикатов, которое должно иметь место на ветряных турбинах или крыльях самолетов.
«Держать вещи сухими требует огромных затрат энергии», - сказал К. Патрик Коллиер, научный сотрудник Центра исследований нанофазных материалов в Окриджской национальной лаборатории и соавтор исследования. «Вот почему мы уделяем больше внимания способам контроля конденсации и замерзания воды. Это может привести к огромной экономии средств».
Путешествие инея по поверхности начинается с одной замерзшей капли росы, говорят исследователи.
«Твист - это то, как растут ледяные мосты», - сказал Борейко. «Лед собирает воду из капель росы, и это приводит к тому, что ледяные мосты распространяют иней по каплям на поверхности. Чтобы запустить эту цепную реакцию, достаточно замерзнуть всего одна капля».
Управляя расстоянием между точками конденсации, исследователи смогли контролировать скорость образования инея на поверхности или полностью предотвратить образование инея.
«Жидкости переходят от высокого давления к низкому давлению», - сказал Борейко. «Лед служит поглотителем влаги, потому что давление паров льда ниже, чем давление паров воды. Разность давлений заставляет лед расти, но при правильном дизайне с этим рисунком, вдохновленным жуками, тот же эффект создает сухую зону, а не иней.."
Часть исследования была проведена в Центре наук о нанофазных материалах, который является пользовательским объектом Департамента инженерных наук. Департамент биомедицинской инженерии и механики Технологического института Вирджинии оказал поддержку при запуске.