När våra elektroniska enheter blir mer sofistikerade, de genererar också mer värme som måste frigöras för maximal prestanda. Damena Agonafer, en maskiningenjör och materialvetare vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, är att fullända ett sätt att avleda värmen genom en unik process som involverar små vätskedroppar ovanpå en rad mikropelare.

I ny forskning publicerad på tidskriftens omslag Langmuir 17 september, Agonafer, biträdande professor i maskinteknik och materialvetenskap, arbetade med droppar av olika vätskor på mikropelarstrukturer av olika former:trianglar, rutor och cirklar. Dropparna på toppen av mikropelarna liknar när ett glas vatten är överfyllt precis tillräckligt för att göra en halvklotform, eller en menisk, på toppen av glaset innan en droppe till får det att spilla över.

Agonafers mikropelarstrukturer håller vätskedroppar med sina vassa kanter som bildar en energibarriär på ytan som hindrar vätskan från att spilla över. Vissa vätskor, som vatten, skapa hög ytspänning och skapa maximalt tryck när kontaktlinjen fästs på kanten av mikropelarens inre por. Andra vätskor, såsom isopropylalkohol eller kylmedel, skapa låg ytspänning och skapa maximalt tryck när kontaktlinan fästs på konstruktionens ytterkant.

Agonafer fann att formen på mikropelaren gjorde en skillnad i mängden vätska den innehöll innan dropparna rann över. Arbetet, den första att studera vätskeretention på asymmetriska pelarstrukturer, ger insikt i design av ytmikro- och nanokonstruerade strukturer inom naturvetenskap och teknik.

"Vi vill att droppen ska stanna på plats ovanpå mikropelaren eftersom den hjälper till med kylningsprocessen, ", sade Agonafer. "Den asymmetriska formen förbättrar värmeöverföringen. Menisken är där den högsta evaporativa värmeöverföringen sker, så vi ville försöka öka den regionen."

Tidigare, Agonafer utvecklade ett membran med cirkulära mikroskopiska pelare utformade för att avleda värmen i elektroniska enheter. Han baserade membranet på vårsvansens vattenavvisande hud, en uråldrig insekt som kan andas genom sin hud även under vatten. Det var det första arbetet med att använda vätska med låg ytspänning i porösa membranstrukturer.

I den nya forskningen, Agonafer och hans team fann att en droppe som fästs på en triangulär mikropelare tog minsta mängden vätska innan den rann över, känd som kritisk skurvolym. När de använde vätskorna med hög ytspänning isopropylalkohol och dielektrisk vätska, att ändra formen på mikropelaren från cirkulär till triangulär ledde till en 83 % och 76 % minskning av kritisk sprängvolym, respektive.

I sista hand, han fann att den cirkulära mikropelaren hade en mer enhetlig uppbyggnad av vätskevolym än de triangulära och fyrkantiga mikropelarna.

"Retentionen av vätskor på de asymmetriska pelarstrukturerna hade mycket andra egenskaper än den cylindriska pelaren, " sade han. "Den flytande menisken kanske inte nödvändigtvis väter hela toppen av ytan på den asymmetriska mikropelaren, skapar en betydande utmaning för att analysera jämviktsprofilen."

Agonafer och hans labb arbetar nu med att optimera formen och mönstret på mikropelarna på en array mot att utveckla en evaporativ värmeväxlingsanordning.