19 jan. 2022
3 minuten
Een plasje of een parel? Een nieuw proces maakt controle over vloeistof-vaste stof-interfaces mogelijk, zelfs met de meest onwaarschijnlijke materiaalparen .
De bevochtigbaarheid van een oppervlak – dus de vraag of vloeistoffen samentrekken of uitvloeien wanneer ze ermee in contact komen – is een cruciale factor in een breed scala aan commerciële en industriële toepassingen, zoals hoe efficiënt ketels en condensators werken in energiecentrales of hoe efficiënt warmte kan worden afgevoerd in industriële processen.
Deze eigenschap werd lang gezien als een vaste gegeven van een bepaald paar vloeibare en vaste materialen, maar nu hebben MIT-onderzoekers een manier ontwikkeld om zelfs de meest onwaarschijnlijke combinaties van materialen een gewenst niveau van bevochtigbaarheid te geven.
Het proces wordt beschreven in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS).
Hulpvloeistof
De methode is gebaseerd op het textureren van het oppervlak, ongeacht de samenstelling, met dicht bij elkaar liggende inkepingen met ‘inspringende openingen’ – dat wil zeggen, de opening aan de bovenkant is smaller dan de rest van de holte, zoals een pot met een smalle hals. Dit getextureerde oppervlak is voorbehandeld met een vloeistof die al deze holtes vult, waardoor het oppervlak wordt doorspekt met vloeistofgebieden. Dat verandert de eigenschappen van het oppervlak. Wanneer een andere vloeistof op het oppervlak wordt gedruppeld, die hetzelfde of verschillend kan zijn van de vloeistof die vooraf in het oppervlak is geladen, verandert de reactie op het oppervlak van niet-bevochtigend in bevochtigend.
De bevindingen zijn zo nieuw dat er misschien veel toepassingen in de echte wereld zijn waar het team nog niet aan heeft gedacht, zegt postdoc Kyle Wilke. Maar thermisch beheer in verschillende industriële processen zal waarschijnlijk een van de eerste praktische toepassingen zijn. De manier waarop water of een andere werkvloeistof zich verspreidt of niet verspreidt over condensoroppervlakken, kan een grote invloed hebben op de efficiëntie van veel processen waarbij verdamping en condensatie betrokken zijn, waaronder elektriciteitscentrales en chemische verwerkingsfabrieken.
Kansen voor coatings
Een veelbelovend gebied is beschermende coatings. Veel materialen die worden gebruikt om oppervlakken te beschermen tegen agressieve chemicaliën zijn gefluoreerde verbindingen die sterk niet-bevochtigend zijn, waardoor ze voor veel toepassingen ongeschikt kunnen zijn. Door die oppervlakken te bevochtigen, zouden veel nieuwe potentiële toepassingen voor dergelijke coatings kunnen ontstaan.
Heatpipes
Een andere veelbelovende toepassing is in heatpipes voor hoge temperaturen, zoals voor het koelen van machines of elektronica. "Veel van die werkvloeistoffen zijn vloeibaar metaal en het is bekend dat ze een zeer hoge oppervlaktespanning hebben", zegt postdoc Zhengmao Lu. Dat beperkt de keuze voor dergelijke vloeistoffen drastisch, en deze nieuwe benadering zou mogelijke materiaalkeuzes kunnen openen.
Hoewel de complexe inkepingen in het oppervlak voor dit onderzoek werden vervaardigd met behulp van halfgeleiderproductieprocessen, onderzoekt het team andere manieren om hetzelfde soort texturering te bereiken met behulp van 3D-printen of een ander proces dat gemakkelijker kan worden opgeschaald voor toepassingen in de echte wereld.
Het team onderzoekt ook variaties in de maten en vormen van deze herintredende openingen. Lu zegt bijvoorbeeld dat, hoewel het oppervlak en de afstand van deze openingen voornamelijk hun bevochtigingsgedrag bepalen, hun diepte van invloed kan zijn op hoe stabiel dit gedrag is, omdat diepere gaten beter bestand zijn tegen verdamping, wat de verbeteringen van de bevochtigbaarheid zou kunnen ondermijnen. "De afstand tot de bodem van het kanaal is een kritische dimensie die het bevochtigingsgedrag kan beïnvloeden", zegt hij. Die variaties worden onderzocht in vervolgonderzoek.
Anderen lazen ook
