Många industrianläggningar är beroende av vattenånga som kondenserar på metallplattor:I kraftverk, det resulterande vattnet återförs sedan till en panna för att förångas igen; i avsaltningsanläggningar, det ger en tillgång på rent vatten. Effektiviteten hos sådana anläggningar beror helt på hur lätt vattendroppar kan bildas på dessa metallplattor, eller kondensorer, och hur lätt de faller bort, lämnar utrymme för fler droppar att bildas.

Nyckeln till att förbättra effektiviteten hos sådana anläggningar är att öka kondensatorernas värmeöverföringskoefficient – ​​ett mått på hur lätt värme kan överföras bort från dessa ytor, förklarar Nenad Miljkovic, doktorand i maskinteknik vid MIT. Som en del av hans avhandlingsforskning, han och kollegor har gjort just det:designat, tillverka och testa en belagd yta med nanostrukturerade mönster som kraftigt ökar värmeöverföringskoefficienten.

Resultaten av det arbetet har publicerats i tidskriften Nanobokstäver , i en tidning medförfattare av Miljkovic, docent i maskinteknik Evelyn Wang, och fem andra forskare från Device Research Lab (DRL) på MIT:s maskintekniska avdelning.

På en typisk, platt kondensor, vattenånga kondenserar för att bilda en flytande film på ytan, drastiskt minska kondensorns förmåga att samla upp mer vatten tills tyngdkraften dränerar filmen. "Det fungerar som en barriär för värmeöverföring, " säger Miljkovic. Han och andra forskare har fokuserat på sätt att uppmuntra vatten att pärla ihop sig till droppar som sedan faller bort från ytan, möjliggör snabbare borttagning av vatten.

"Sättet att ta bort den termiska barriären är att ta bort [dropparna] så snabbt som möjligt, " säger han. Många forskare har studerat sätt att göra detta genom att skapa hydrofoba ytor, antingen genom kemisk behandling eller genom ytmönstring. Men Miljkovic och hans kollegor har nu tagit detta ett steg längre genom att göra skalbara ytor med nanoskala egenskaper som knappt rör vid dropparna.

Resultatet:droppar faller inte bara från ytan, men hoppa faktiskt bort från det, öka effektiviteten i processen. Energin som frigörs när små droppar smälter samman för att bilda större är tillräckligt för att driva dropparna uppåt från ytan, vilket betyder att borttagningen av droppar inte enbart beror på gravitationen.

Andra forskare har arbetat på nanomönstrade ytor för att framkalla sådana hopp, men dessa har tenderat att vara komplexa och dyra att tillverka, vanligtvis kräver en renrumsmiljö. Dessa tillvägagångssätt kräver också plana ytor, inte slangen eller andra former som ofta används i kondensorer. Till sist, Tidigare forskning har inte testat den förbättrade värmeöverföringen som förutspås för dessa typer av ytor.

I en tidning som publicerades i början av 2012, MIT-forskarna visade att droppformen är viktig för förbättrad värmeöverföring. "Nu, vi har gått ett steg längre, " Miljkovic säger, "att utveckla en yta som gynnar den här typen av droppar, samtidigt som den är mycket skalbar och enkel att tillverka. Vidare, vi har faktiskt kunnat experimentellt mäta värmeöverföringsförbättringen."

Mönstret är klart, Miljkovic säger, med en enkel våtoxidationsprocess direkt på ytan som kan appliceras på kopparrör och plattor som vanligtvis används i kommersiella kraftverk.

Det nanostrukturerade mönstret i sig är gjort av kopparoxid och bildas faktiskt ovanpå kopparröret. Processen ger en yta som liknar en bädd av små, spetsiga löv sticker upp från ytan; dessa nanoskala punkter minimerar kontakten mellan dropparna och ytan, gör frisläppandet lättare.

Inte bara kan de nanostrukturerade mönstren göras och appliceras under rumstemperaturförhållanden, men tillväxtprocessen stoppar naturligtvis av sig själv. "Det är en självbegränsande reaktion, " Miljkovic säger, "oavsett om du lägger den i [behandlingslösningen] i två minuter eller två timmar."

Efter att det lövliknande mönstret har skapats, en hydrofob beläggning appliceras när en ånglösning binder sig till den mönstrade ytan utan att väsentligt ändra dess form. Teamets experiment visade att effektiviteten av värmeöverföring med dessa behandlade ytor kunde ökas med 30 procent, jämfört med dagens bästa hydrofoba kondensytor.

Det betyder, Miljkovic säger, att processen lämpar sig för att eftermontera tusentals kraftverk som redan är i drift runt om i världen. Tekniken kan också vara användbar för andra processer där värmeöverföring är viktig, såsom i avfuktare och för värme- och kylsystem för byggnader, säger författarna.

Utmaningar för detta tillvägagångssätt kvarstår, Miljkovic säger:Om det bildas för många droppar, de kan "svämma" ytan, minskar dess värmeöverföringsförmåga. "Vi arbetar med att fördröja denna ytöversvämning och skapa mer robusta lösningar som kan fungera bra [under] alla driftsförhållanden, " han säger.

Forskargruppen inkluderade också postdoktorerna Ryan Enright och Youngsuk Nam och studenterna Ken Lopez, Nicholas Dou och Jean Sack, hela MIT:s maskintekniska avdelning.