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MIT开发新方法 使最不可能配对的材料达到理想的润湿性水平

2022-01-19 11:15 · 稿源: cnbeta

一个表面的润湿性(存在两种互不相溶液体,液体首先润湿固相表面的能力)是各种商业和工业应用中的一个关键因素,例如发电厂的锅炉和冷凝器如何有效工作,或者工业流程中的热管如何将热量输送出去。这一特性长期以来一直被视为特定的液体和固体材料对的固定属性,但现在麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法,使最不可能配对的材料也能达到理想的润湿性水平。本周,麻省理工学院博士后Kyle Wilke、Zhengmao Lu和Youngsop Song以及机械工程教授Evelyn Wang在《美国国家科学院院刊》(PNAS)中描述了这一新过程。

润湿性通常与液体的表面张力特性密切相关--表面张力越高,液体就越有可能在表面形成珠子,而不是扩散开来润湿表面。汞具有极高的表面张力,因此被认为是高度不湿润的,因此该团队选择了这种众所周知的困难液体作为他们的演示之一。他们能够制造出一个由典型的不润湿材料制成的表面,使汞在其上扩散而不发生化学反应,这是以前从未展示过的事情。

新方法的基础是对表面进行纹理处理,无论其成分如何,都要有间隔紧密的压痕,这些压痕具有 “重入开口”-也就是说,顶部的开口比腔体的其他部分更窄,就像一个有窄口的罐子。这种质地的表面用一种液体进行预处理,填满所有这些空腔,在整个表面的这些开口处留下暴露的液体区域,从而改变表面的特性。当添加另一种液体时,根据应用情况,这种液体可能与预装在表面的液体相同或不同,它对表面的反应从不润湿变为润湿。

对水具有高润湿性的表面被称为亲水性,而对水不润湿的表面被称为疏水性。润湿性或不润湿性是这种行为的总称,与所涉及的特定液体无关。

Evelyn说,虽然之前已经为其他目的证明了可重入的表面,但这项工作首次表明它们可以被用来改变表面,以产生 “以前没有证明过的润湿制度”,Evelyn是麻省理工学院机械工程系主任。

Kyle说,这些发现是如此之新,可能有许多团队还没有想到的现实世界的应用。Kyle说:“这是我们非常期待开始探索的事情。但是各种工业过程中的热管理可能是首批实际应用之一。水或其他工作流体在冷凝器表面扩散的方式,或未能扩散的方式,对许多涉及蒸发和冷凝的过程的效率有重大影响,包括发电厂和化学加工厂。”

“我们现在已经把一个不润湿的表面变成了润湿的,”Kyle说。“人们以前所做的是相反的情况,即采取润湿的东西并使其不润湿。 因此,这项新工作为能够对不同的表面材料和液体组合的润湿性进行近乎完全的控制打开了大门。”

“我们现在可以创造出具有大多数可想象的润湿性组合的表面,”Kyle说。“我认为这绝对可以开辟一些非常有趣的应用,我们正在寻求探索。”

一个有希望的领域是保护性涂层。许多用于保护表面免受恶劣化学品影响的材料是氟化化合物,具有很强的非润湿性,这可能使它们不适合于许多应用。使这些表面润湿可以为这些涂层开辟许多新的潜在用途。

“高温热管,用于将热量从一个地方传导到另一个地方,例如用于冷却机器或电子产品,是另一个有前景的应用。”Lu说:“这些工作流体很多都是液态金属,而这些都是已知的具有非常高的表面张力。这极大地限制了这种液体的选择,而这种新方法可以开辟可能的材料选择。”

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