Naukowcy z MIT i Boston University opracowali specjalną strukturę, która ułatwia chłodzenie gorących powierzchni. Pokrycie warstwy wierzchniej za pomocą drobnych nano i mikro obiektów, zwiększa chropowatość oraz umożliwia lądowanie i kontakt kropel płynu chłodzącego z nagrzanym elementem. Jak sugerują autorzy badania, nowy sposób poprawy studzenia gorących powierzchni może być potencjalnie stosowany m.in. w przenośnych gadżetach elektronicznych oraz w przemyśle – elektrowniach jądrowych.
Chłodzenie obiektów za pomocą cieczy jest szeroko rozpowszechnione w wielu aplikacjach. Studzenie elementów płynami można zaobserwować w elektrowniach, odsalarniach wody, podczas obróbki termicznej i chemicznej materiałów, a także w elektronice użytkowej. Schładzanie jest skuteczne, gdy kropelki cieczy są w stanie wejść w bezpośredni kontakt z powierzchnią ciała stałego. Jednak gdy temperatura powierzchni przewyższa temperaturę wrzenia cieczy zachodzi zjawisko Leidenfrosta. Polega ono na niezwilżaniu powierzchni ciała stałego wylewaną na niego cieczą. Płyn rozpada się na krople, które wykonują chaotyczne ruchy spowodowane gwałtownym parowaniem. Kropelki cieczy lewitują, a kontakt z powierzchnią jest utracony z powodu tworzenia warstwy gazowej. Warstwa pary działa jak bariera cieplna i znacznie ogranicza przekazywanie ciepła z gorącego obiektu do cieczy chłodzącej. W takich warunkach chłodzenie jest nieefektywne, a temperatura podłoża może osiągać niebezpieczny poziom (dowodem jest katastrofa w elektrowni atomowej w Fukushimie, gdzie doszło do stopienia rdzeni).
Badania nad podniesieniem temperatury punktu Leidenfrosta (z ang. Leidenfrost point, LFP) obejmują modyfikację właściwości chemicznych cieczy, własności powierzchni, wykorzystanie pola elektrycznego oraz zmianę tzw. liczby Webera, czyli stosunku sił inercjalnych do sił napięcia powierzchniowego. Siła inercjalna może być wyrażona jako iloczyn masy i przyspieszenia ziemskiego, a siła napięcia powierzchniowego jako iloczyn napięcia powierzchniowego i parametru długości. Ingerencja w wygląd powierzchni jest szczególnie atrakcyjna, gdyż właściwości cieczy oraz zmiana innych warunków operacyjnych jest często ograniczona ze względu na warunki użytkowania. Zwiększona chropowatość materiału poprzez naniesienie hierarchicznych tekstur oraz wpływ na osadzanie kropel były celem badań naukowców, które opublikowano w czasopiśmie Applied Physics Letters w listopadzie 2013 roku.
Zadaniem badaczy, którzy odpowiadają m.in. za produkcję superhydrofobowego pokrycia, czy śliskiej powłoki LiquiGlide było opracowanie przeciwieństwa – powierzchni, która wręcz będzie “przyciągać” płyn i umożliwi chłodzenie poprzez bezpośredni kontakt z gorącą nawierzchnią. Krzemowe płytki zostały wytrawione za pomocą litografii. W taki sposób na ich powierzchniach zostały wytworzone słupki. Prostopadłościany o szerokości i wysokości 10 mikrometrów zostały poddane testom na zwilżanie w temperaturach 270 i 300°C. Próbki różniły się upakowaniem (gęstością) słupków na płytce oraz odległościami pomiędzy nimi. Zaskakująco, najlepsze wyniki zwilżania uzyskano dla powierzchni, na której słupki były stosunkowo rozproszone. Naukowcy doszli również do wniosku, że większa gęstość ułatwia zakotwiczenie kropelek, ale także utrzymuje warstwę pary. Gromadzenie pary zwiększało ciśnienie, a gdy siła pary przekraczała siłę przyciągania to kropelki zaczynały się unosić. Aby jeszcze bardziej usprawnić osadzanie płynu, podłoża z szerzej rozstawionymi słupami pokryto koloidalnym roztworem z nanocząsteczkami krzemu. Średnica nanocząsteczek wynosiła około 220 nanometrów. Nowa tekstura zapewniała większą powierzchnię kontaktu oraz swobodny przepływ pary. Woda rozpylana na materiał rozgrzany do temperatury 400°C szybko go pokrywała. Co ważne, w takich samych warunkach, kropelki nie zwilżały powierzchni próbek pokrytych tylko słupkami lub nanocząsteczkami. Zjawisko zachodziło wyłącznie przy połączeniu obu wzorów.
Naukowcy dalej pracują nad podniesieniem LFP przy użyciu hierarchicznych mikro-nano tekstur. Chcą znacznie zwiększyć ciśnienie kapilarne bez wytwarzania dodatkowego oporu dla przepływu pary. Spostrzeżenia te mogą zostać w przyszłości wykorzystane do podniesienia wydajności transferu ciepła w różnych zastosowaniach chłodniczych, w tym chłodzenia prętów w reaktorach jądrowych, metalurgii oraz elektronice.
Źródło:
[1] Hyuk-min Kwon, James C. Bird, Kripa K. Varanasi. Increasing Leidenfrost point using micro-nano hierarchical surface structures. Applied Physics Letters, 2013; 103 (20): 201601 DOI: 10.1063/1.4828673
[2] http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/103/20/10.1063/1.4828673 [30.12.2013]
[3] http://www.newswise.com/articles/altering-surface-textures-in-counterintuitive-manner-may-lead-to-cooling-efficiency-gains [30.12.2013]
[4] Gaming PC by Dāvis Mosāns (davispuh), flickr.com, CC BY-SA 2.0