En gelliknande flytstressvätska, topp, rör sig som en plugg utan klippning i ett rör med den nya ytbeläggningen. På botten, samma vätska ses skära medan den strömmar i ett obelagt rör, där en del av vätskan fastnar i röret medan en del av den fortsätter att rinna. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
En forskargrupp från MIT som redan har övervunnit problemet med att få ut ketchup ur sin flaska har nu tagit itu med en ny kategori av konsument- och tillverkningsproblem:hur man får mycket tjockare material att glida utan att fastna eller deformeras.
De hala beläggningarna som teamet har utvecklat, kallas vätskeimpregnerade ytor, kan ha många fördelar, inklusive eliminering av produktionsavfall som härrör från material som fastnar på insidan av processutrustning. De kan också förbättra kvaliteten på produkter som sträcker sig från bröd till läkemedel, och till och med förbättra effektiviteten hos flödesbatterier, en snabbt utvecklande teknik som kan bidra till att främja förnybar energi genom att tillhandahålla billig lagring av genererad el.
Dessa ytor är baserade på principer som ursprungligen utvecklades för att hjälpa livsmedel, kosmetika, och andra trögflytande vätskor glider ut ur sina behållare, som utarbetats av Kripa Varanasi, en professor i maskinteknik vid MIT, tillsammans med tidigare studenter Leonid Rapoport Ph.D. '18 och Brian Solomon Ph.D. '16. Det nya arbetet beskrivs i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt .
Liksom de tidigare ytorna de utvecklade, vilket ledde till skapandet av ett spinoff-företag som heter LiquiGlide, de nya ytorna är baserade på en kombination av en speciellt strukturerad yta och ett flytande smörjmedel som täcker ytan och förblir fångade på plats genom kapillärverkan och andra intermolekylära krafter som är förknippade med sådana gränssnitt. Den nya artikeln förklarar de grundläggande designprinciperna som kan uppnå nästan 100 procents friktionsreduktion för dessa gelliknande vätskor.
Behöver en klämma
Sådana material, känd som flytstressvätskor, inklusive geler och pastor, är allestädes närvarande. De finns i konsumentprodukter som livsmedel, smaktillsatser, och kosmetika, och i produkter inom energi- och läkemedelsindustrin. Till skillnad från andra vätskor som vatten och oljor, dessa material kommer inte att börja flyta av sig själva, även när deras behållare vänds upp och ner. Att starta flödet kräver tillförsel av energi, som att klämma ihop behållaren.
Men den där klämningen har sina egna effekter. Till exempel, brödtillverkningsmaskiner inkluderar vanligtvis skrapor som ständigt trycker bort den klibbiga degen från sidorna av dess behållare, men att konstant skrapning kan resultera i överknådning och en tätare limpa. En hal behållare som inte kräver någon skrapning skulle därför kunna ge bröd med bättre smak, säger Varanasi. Genom att använda detta system, "utöver att få ut allt ur behållaren, du lägger nu till högre kvalitet" på den resulterande produkten.
Det kanske inte är kritiskt när det gäller bröd, men det kan ha stor inverkan på läkemedel, han säger. Användningen av mekaniska skrapor för att driva fram läkemedelsmaterial genom blandningstankar och rör kan störa läkemedlets effektivitet, eftersom de inblandade skjuvkrafterna kan skada proteinerna och andra aktiva föreningar i läkemedlet.
Genom att använda de nya beläggningarna, i vissa fall är det möjligt att uppnå en 100-procentig minskning av motståndet som materialet upplever – motsvarande "oändlig glidning, " säger Varanasi.
När en flytstressvätska, ett gelliknande material, flyter i ett enkelt glasrör fastnar det på väggarna och upplever skjuvspänning. Dock, ett rör belagt med en hal beläggning tillåter vätskan att röra sig som en plugg utan att klippas och utan att smeta på röret. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
"Generellt sett är ytor möjliggörare, " säger Rapoport. "Superhydrofoba ytor, till exempel, gör att vattnet lätt kan rulla, men inte alla vätskor kan rulla. Våra ytor gör att vätskor kan röra sig på vilket sätt som är mer att föredra för dem – vare sig det rullar eller glider. Dessutom fann vi att flytande vätskor kan röra sig på våra ytor utan skjuvning, i huvudsak glider som fasta kroppar. Detta är mycket viktigt när du vill behålla integriteten hos dessa material när de bearbetas."
Liksom den tidigare versionen av hala ytor som Varanasi och hans medarbetare skapade, den nya processen börjar med att göra en yta som är strukturerad i nanoskala, antingen genom att etsa en serie tätt belägna pelare eller väggar på ytan, eller mekanisk slipning av spår eller gropar. Den resulterande texturen är utformad för att ha så små egenskaper att kapillärverkan - samma process som gör att träd kan dra upp vatten till sina högsta grenar genom små öppningar under barken - kan verka för att hålla en vätska, som en smörjolja, på plats på ytan. Som ett resultat, allt material inuti en behållare med denna typ av foder kommer i princip bara i kontakt med smörjvätskan, och glider direkt av istället för att fastna på den solida behållarväggen.
Det nya arbetet som beskrivs i denna artikel beskriver principerna som forskarna kom fram till för att möjliggöra det optimala valet av ytstruktur, smörjande material, och tillverkningsprocess för varje specifik tillämpning med dess speciella kombination av material.
Hjälper batterierna att flöda
En annan viktig applikation för de nya beläggningarna är i en snabbt utvecklande teknologi som kallas flödesbatterier. I dessa batterier, fasta elektroder ersätts av en slurry av små partiklar suspenderade i vätska, vilket har fördelen att kapaciteten på batteriet kan ökas när som helst genom att bara lägga till större tankar. Men effektiviteten hos sådana batterier kan begränsas av flödeshastigheterna.
Att använda de nya hala beläggningarna kan avsevärt öka den totala effektiviteten hos sådana batterier, och Varanasi arbetade med MIT-professorerna Gareth McKinley och Yet-Ming Chiang på att utveckla ett sådant system ledd av Solomon och Xinwei Chen, en före detta postdoc i Chiangs labb.
Dessa beläggningar kan lösa en gåta som designers av flödesbatterier har ställts inför, eftersom de behövde tillsätta kol till slurrymaterialet för att förbättra dess elektriska ledningsförmåga, men kolet gjorde också slammet mycket tjockare och störde dess rörelse, leder till "ett flödesbatteri som inte kunde flöda, " säger Varanasi.
"Tidigare hade flödesbatterier en kompromiss i att när du lägger till fler kolpartiklar blir slammet mer ledande, men det blir också tjockare och mycket mer utmanande att flyta, " säger Solomon. "Genom att använda hala ytor får vi det bästa av två världar genom att tillåta flöde av tjocka, flytningsspänningsslam."
Det förbättrade systemet möjliggjorde användningen av en flödeselektrodformulering som resulterade i en fyrfaldig ökning av kapaciteten och en besparing på 86 procent av mekanisk kraft, jämfört med användningen av traditionella ytor. Dessa resultat beskrevs nyligen i tidskriften ACS Applied Energy Materials .
"Förutom att tillverka en flödesbatterianordning som innehåller de hala ytorna, vi har också lagt ut designkriterier för deras elektrokemiska, kemisk, och termodynamisk stabilitet, " förklarar Solomon. "Ingenskapsytor för ett flödesbatteri öppnar upp en helt ny gren av applikationer som kan hjälpa till att möta framtida energilagringsbehov."
