På konventionella superhydrofoba ojämna ytor, små vätskedroppar i Wenzel-tillståndet kommer att förbli fästa vid ytstrukturerna. I kontrast, den nya hala grova ytan möjliggör hög rörlighet för Wenzel-droppar. Kredit:Xianming Dai och Tak-Sing Wong, Penn State
Lotusblommans blad, och andra naturliga ytor som stöter bort vatten och smuts, har varit modellen för många typer av konstruerade vätskeavvisande ytor. Hur hala dessa ytor än är, dock, små vattendroppar fastnar fortfarande på dem. Nu, Penn State forskare har utvecklat nano/mikro-texturerade, mycket hala ytor som kan överträffa dessa naturligt inspirerade beläggningar, speciellt när vattnet är en ånga eller små droppar.
Att förbättra rörligheten för vätskedroppar på ojämna ytor kan förbättra kondensationsvärmeöverföringen för kraftverksvärmeväxlare, skapa mer effektiv vattenskörd i torra områden, och förhindra isbildning och frosting på flygplansvingar. "Detta representerar ett fundamentalt nytt koncept inom konstruerade ytor, " sa Tak-Sing Wong, biträdande professor i maskinteknik och fakultetsmedlem i Penn State Materials Research Institute. "Våra ytor kombinerar de unika ytarkitekturerna hos lotusblad och kannaväxter på ett sådant sätt att dessa ytor har både stor yta och ett hala gränssnitt för att förbättra droppuppsamling och rörlighet. Rörligheten hos vätskedroppar på grova ytor är mycket beroende av hur vätska väter ytan. Vi har för första gången experimentellt demonstrerat att vätskedroppar kan vara mycket rörliga när de är i Wenzel-tillståndet."
Vätskedroppar på grova ytor finns i ett av två tillstånd:Cassie, där vätskan delvis flyter på ett lager av luft eller gas, och Wenzel, där dropparna är i full kontakt med ytan, fånga eller fästa dem. De två tillstånden är uppkallade efter fysikerna som först beskrev dem. Medan Wenzel-ekvationen publicerades 1936 i en mycket citerad tidning, det har varit extremt utmanande att verifiera ekvationen experimentellt.
"Genom försiktig, systematisk analys, vi fann att Wenzel-ekvationen inte gäller för mycket vätande vätskor, sa Birgitt Boschitsch Stogin, doktorand i Wongs grupp och medförfattare till "Slippery Wenzel State, " publicerad i onlineupplagan av ACS Nano .
Schematisk bild som visar en ny konstruerad yta som kan stöta bort vätskor i alla tillstånd av väta. Kredit:Xianming Dai, Chujun Zeng och Tak-Sing Wong
"Droppar på konventionella grova ytor är rörliga i Cassie-tillståndet och fastnade i Wenzel-tillståndet. Det klibbiga Wenzel-tillståndet resulterar i många problem vid kondensationsvärmeöverföring, vattenskörd och isborttagning. Vår idé är att lösa dessa problem genom att göra det möjligt för Wenzel-tillståndsdroppar att vara mobila, sa Xianming Dai, postdoktor i Wongs grupp och huvudförfattare på tidningen. Under det senaste årtiondet, enorma ansträngningar har ägnats åt att designa grova ytor som förhindrar vätningsövergången mellan Cassie och Wenzel. Ett viktigt konceptuellt framsteg i den aktuella studien är att droppar från både Cassie- och Wenzel-tillståndet kan behålla sin rörlighet på den hala grova ytan, utan den svåra processen att förhindra vätningsövergången.
För att göra Wenzel state droplets mobila, forskarna etsade mikrometerskala pelare i en kiselyta med hjälp av fotolitografi och djup reaktiv jonetsning, och skapade sedan nanoskaliga texturer på pelarna genom våtetsning. De infunderade sedan nanotexturerna med ett lager av smörjmedel som helt täckte nanostrukturerna, vilket resulterar i kraftigt reducerad fastsättning av dropparna. Nanostrukturerna förbättrade också retentionen av smörjmedel avsevärt jämfört med enbart den mikrostrukturerade ytan.
Samma designprincip kan enkelt utökas till andra material utöver kisel, såsom metaller, glas, keramik och plast. Författarna tror att detta arbete kommer att öppna sökandet efter en ny, enhetlig modell för vätningsfysik som förklarar vätningsfenomen på grova ytor.
