Kondensatorer är en avgörande del av dagens kraftgenereringssystem:Cirka 80 procent av världens alla kraftverk använder dem för att vända ånga tillbaka till vatten efter att den kommer ut ur turbinerna som vänder generatorer. De är också ett nyckelelement i avsaltningsanläggningar, en snabbväxande bidragsgivare till världens tillgång på färskvatten.
Nu, en ny ytarkitektur designad av forskare vid MIT har löftet om att avsevärt öka prestandan hos sådana kondensorer. Forskningen beskrivs i en artikel som just publicerats online i tidskriften ACS Nano av MIT postdoc Sushant Anand; Kripa Varanasi, Doherty docent i havsutnyttjande; och doktorand Adam Paxson, postdoc Rajeev Dhiman och forskningsfilialen Dave Smith, hela Varanasis forskargrupp vid MIT.
Nyckeln till den förbättrade hydrofoba (vattenavgivande) ytan är en kombination av mikroskopisk mönstring - en yta täckt med små stötar eller stolpar som bara är 10 mikrometer (miljondelar av en meter) tvärs över, ungefär lika stor som en röd blodkropp – och en beläggning av ett smörjmedel, såsom olja. De små utrymmena mellan stolparna håller oljan på plats genom kapillärverkan, fann forskarna.
Teamet upptäckte att vattendroppar som kondenserade på denna yta rörde sig 10, 000 gånger snabbare än på ytor med bara den hydrofoba mönstringen. Hastigheten på denna dropprörelse är nyckeln till att låta dropparna falla från ytan så att nya kan bildas, öka effektiviteten av värmeöverföringen i en kraftverkskondensor, eller hastigheten på vattenproduktionen i en avsaltningsanläggning.
Med denna nya behandling, "droppar kan glida på ytan, " Varanasi säger, flyter som puckar på ett airhockeybord och ser ut som svävande UFO:n – ett beteende Varanasi säger att han aldrig har sett under mer än ett decennium av arbete på hydrofoba ytor. "Det här är bara galna hastigheter."
Mängden smörjmedel som krävs är minimal:Det bildar en tunn beläggning, och fästs säkert på plats av stolparna. Eventuellt smörjmedel som går förlorat byts enkelt ut från en liten behållare vid kanten av ytan. Smörjmedlet kan utformas för att ha så lågt ångtryck att Varanasi säger, "Du kan till och med sätta den i ett vakuum, och det kommer inte att avdunsta."
En annan fördel med det nya systemet är att det inte beror på någon speciell konfiguration av de små texturerna på ytan, så länge de har ungefär rätt dimensioner. "Det kan tillverkas enkelt, " säger Varanasi. Efter att ytan är strukturerad, materialet kan doppas mekaniskt i smörjmedlet och dras ut; det mesta av smörjmedlet rinner helt enkelt av, och "endast vätskan i hålrummen hålls inne av kapillärkrafter, " säger Anand. Eftersom beläggningen är så tunn, han säger, det tar bara ungefär en kvart till en halv tesked smörjmedel för att täcka en kvadratmeter av materialet. Smörjmedlet kan också skydda den underliggande metallytan från korrosion.
Varanasi planerar ytterligare forskning för att kvantifiera exakt hur mycket förbättring som är möjlig genom att använda den nya tekniken i kraftverk. Eftersom ångdrivna turbiner finns överallt i världens fossilbränslekraftverk, han säger, "även om det sparar 1 procent, det är enormt" i sin potentiella inverkan på globala utsläpp av växthusgaser.
Det nya tillvägagångssättet fungerar med en mängd olika ytstrukturer och smörjmedel, forskarna säger; de planerar att fokusera pågående forskning på att hitta optimala kombinationer för kostnad och hållbarhet. "Det finns mycket vetenskap i hur du designar dessa vätskor och texturer, " säger Varanasi.
Daniel Beysens, forskningschef för Physics and Mechanics of Heterogeneous Media Laboratory vid ESPCI i Paris, säger konceptet bakom att använda en smörjmedelsvätska som fångas av en nanopönstrad yta, är "enkelt och vackert. Dropparna kommer att bilda kärnor och sedan glida ner ganska lätt. Och det fungerar!"
Den ytterligare forskningen kommer att få hjälp av en ny teknik Varanasi har utvecklat i samarbete med forskare inklusive Konrad Rykaczewski, en MIT-forskare som för närvarande är baserad vid National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersberg, Md., tillsammans med John Henry Scott och Marlon Walker från NIST och Trevan Landin från FEI Company. Den tekniken beskrivs i en separat tidning som också precis publicerats i ACS Nano .
För första gången, denna nya teknik erhåller direkt, detaljerade bilder av gränssnittet mellan en yta och en vätska, som droppar som kondenserar på den. I vanliga fall, det gränssnittet – nyckeln till att förstå vätnings- och vattenavgivningsprocesser – döljs av dropparna själva, Varanasi förklarar, så de flesta analyser har förlitat sig på datormodellering. I den nya processen, droppar fryses snabbt på plats på ytan, skivad i tvärsnitt med en jonstråle, och avbildades sedan med ett svepelektronmikroskop.
"Metoden bygger på att bevara geometrin hos proverna genom snabb frysning i flytande kväve slask vid minus 210 grader Celsius [minus 346 grader Fahrenheit], " säger Rykaczewski. "Frysningshastigheten är så hög (cirka 20, 000 grader Celsius per sekund) att vatten och andra vätskor inte kristalliserar, och deras geometri är bevarad."
Tekniken skulle kunna användas för att studera många olika interaktioner mellan vätskor eller gaser och fasta ytor, säger Varanasi. "Det är en helt ny teknik. För första gången vi kan se dessa detaljer på dessa ytor."
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
