Kondens kan förstöra ett träbord eller dimma upp glasögon när du går in i en varm byggnad en vinterdag, men det är inte alla besvär; kondens- och avdunstningscykeln har viktiga tillämpningar.

Vatten kan skördas från "tunn luft, "eller separerade från salt i avsaltningsanläggningar genom kondens. På grund av det faktum att kondenserande droppar tar med sig värme när de avdunstar, Det är också en del av kylningsprocessen i industriella och kraftfulla datorer. Men när forskarna tog en titt på den senaste kondensmetoden, de såg något konstigt:När en speciell typ av yta är täckt med ett tunt lager olja, kondenserade vattendroppar tycktes slumpmässigt flyga över ytan med höga hastigheter, sammanslagning med större droppar, i mönster som inte orsakas av gravitationen.

"De är så långt ifrån varandra, när det gäller deras egna, relativa dimensioner " - dropparna har en diameter mindre än 50 mikrometer -" och ändå dras de, och rör sig med riktigt höga hastigheter, "sa Patricia Weisensee, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis.

"De rör sig alla mot de större dropparna med hastigheter upp till 1 mm per sekund."

Weisensee och Jianxing Sun, en doktorsexamen kandidat i sitt labb, har fastställt att den till synes oregelbundna rörelsen är resultatet av obalanserade kapillarkrafter som verkar på dropparna. De fann också att dropparnas hastighet är en funktion av oljans viskositet och dropparnas storlek, vilket innebär att dropphastighet är något som kan kontrolleras.

Deras resultat publicerades online i Mjuk materia .

Varför flyttar de?

I den vanligaste typen av kondens i industrin, vattenånga kondenserar för att bilda ett tjockt lager av vätska på en yta. Denna metod är känd som "filmmässig" kondens. Men en annan metod har visat sig vara mer effektiv för att främja kondens och överföring av värme som följer med den:droppvis kondens.

Den har använts på traditionellt hydrofoba ytor-sådana som stöter bort vatten som teflonbeläggningen på en non-stick-panna. Dock, dessa traditionella icke-vätande ytor bryts snabbt ner när de utsätts för het ånga. Istället, några år sedan, forskare upptäckte att införa en grov eller porös hydrofob yta med ett smörjmedel, t ex olja leder till snabbare kondens. Viktigt, dessa smörjmedelsinfunderade ytor (LIS) ledde till bildandet av mycket rörliga och mindre vattendroppar, som står för det mesta av värmeöverföringen när det gäller kondens och avdunstning.

Under processen, dock, rörelsen av vattendroppar på ytan verkade oregelbunden - och snabb. "De rör sig med en riktigt hög hastighet för sin storlek, " - om 100 mikron -" bara genom att sitta där, "Sa Weisensee.

"Frågan är, "Varför flyttar de?" "

Med hjälp av höghastighetsmikroskopi och interferometri för att se processen spela ut, Weisensee och hennes team kunde urskilja vad som hände och sambandet mellan droppstorlek, hastighet och oljeviskositet.

De skapade vattenånga och såg hur små droppar bildades på ytan. "Den första processen är att små droppar sammanfaller och bildar större droppar, "Sa Weisensee. Kapillärkrafter får oljan att växa upp och över dropparna, bildar en menisk - inte knämuskeln, utan snarare ett krökt oljelager som omger droppen.

Oljan rör sig kontinuerligt, försöker hitta en balans eftersom den täcker droppar av olika storlek på olika platser på ytan-om det bildas en stor droppe här, menisken sträcker sig över den, får oljelagret att dra ihop sig någon annanstans. Eventuella mindre droppar i kontraktionsområdet dras snabbt till de större dropparna, vilket leder till oljerika och oljefattiga regioner.

Under processen, större droppar rensar i huvudsak utrymmet, vilket i sin tur ger plats för bildandet av fler små droppar.

Eftersom det mesta av värmeöverföringen (cirka 85 procent) sker via dessa små droppar, Att använda LIS för droppvis kondens bör vara ett mer effektivt sätt att sprida värme och få vatten från ånga. Och eftersom dropparna är väldigt små, mindre än 100 mikron i diameter, kondens kan uppstå på ett mindre område.

Det finns en annan fördel, för. Under "traditionell" kondens, gravitation är kraften som rensar vatten från ytan, plats för nya droppar. Ytan placeras vertikalt, och vattnet rinner helt enkelt bort. Eftersom kapillarkrafterna utför arbetet i droppvis kondens på vätskeinfunderade ytor, dock, ytans orientering har ingen betydelse.

"Det kan eventuellt användas på personliga enheter, "där orienteringen ständigt förändras, Hon sa, "eller i rymden." Och eftersom hela processen är mer effektiv än traditionell kondens, Weisensee sa, "Det här kan vara ett bra sätt att rensa utrymme utan att behöva förlita sig på gravitationen."

Går framåt, Weisensees team kommer att mäta värmeöverföring för att avgöra om de mindre dropparna under droppvis kondens på LIS är, faktiskt, mer effektiv. De planerar också att undersöka olika ytor för att maximera dropprörelsen.