En ytas vätbarhet – oavsett om det är vattendroppar eller en annan vätskepärla eller breder ut sig när de kommer i kontakt med den – är en avgörande faktor i en mängd olika kommersiella och industriella tillämpningar, till exempel hur effektivt pannor och kondensorer fungerar i kraft. anläggningar eller hur värmerör leder bort värme i industriella processer. Denna egenskap har länge setts som en fast egenskap hos ett givet par av flytande och fasta material, men nu har MIT-forskare utvecklat ett sätt att få även de mest osannolika materialparningar att få en önskad nivå av vätbarhet.

Den nya processen beskrivs denna vecka i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), i en artikel av MIT postdocs Kyle Wilke, Zhengmao Lu och Youngsop Song och professor i maskinteknik Evelyn Wang.

Vätbarheten är vanligtvis nära kopplad till en vätskas ytspänningsegenskaper - ju högre ytspänningen är, desto mer sannolikt är det att vätskan bildar pärlor på en yta snarare än att spridas ut för att väta ytan. Kvicksilver har exceptionellt hög ytspänning och anses därför vara mycket icke-vätande, så teamet valde denna notoriskt svåra vätska för en av sina demonstrationer. De kunde producera en yta, gjord av ett typiskt icke-vätande material, som fick kvicksilver att spridas över den utan en kemisk reaktion, något som aldrig tidigare visats.

Den nya metoden bygger på att texturera ytan, oavsett dess sammansättning, med tätt åtskilda fördjupningar som har "återgående öppningar" - det vill säga öppningen i toppen är smalare än resten av håligheten, snarare som en burk med en smal mun. Denna texturerade yta är förbehandlad med en vätska som fyller alla dessa håligheter och lämnar exponerade vätskeområden i dessa öppningar över ytan, vilket förändrar ytans egenskaper. När en annan vätska tillsätts, som beroende på applikationen kan vara densamma eller annorlunda än den som är förladdad i ytan, ändras dess reaktion på ytan från icke-vätande till vätande.

Ytor som har en hög vätbarhet för vatten är kända som hydrofila, och de som är icke-vätande för vatten är kända som hydrofoba. Vätbarhet eller icke-vätbarhet är den allmänna termen för sådant beteende oavsett vilken speciell vätska som är involverad.

Även om återinträdande ytor har visats tidigare för andra ändamål, är detta arbete det första som visar att de kan användas för att förändra ytan för att producera "vätningsregimer som inte har visats tidigare", säger Wang, som är Fords professor i teknik. och chef för MIT:s institution för maskinteknik.

Resultaten är så nya att det kan finnas många verkliga tillämpningar som teamet inte har tänkt på ännu, säger Wilke:"Det är något som vi verkligen är glada över att börja utforska", säger han. Men termisk hantering i olika industriella processer kommer sannolikt att vara bland de första praktiska användningarna. Sättet som vatten eller annan arbetsvätska sprider sig, eller inte sprids, över kondensatorns ytor kan ha stor inverkan på effektiviteten hos många processer som involverar avdunstning och kondensering, inklusive elkraftverk och kemiska processanläggningar.

"Vi har nu tagit en icke-vätande yta och gjort den vätande," säger Wilke. "Folk har tidigare gjort det motsatta fallet, att ta något som är vätande och göra det icke-vätande." Således öppnar detta nya arbete dörren för att kunna utöva nästan total kontroll över vätbarheten för olika kombinationer av ytmaterial och vätskor.

"Vi kan nu skapa ytor som har de mest tänkbara kombinationer av vätbarhet", säger Wilke. "Jag tror att det här definitivt kan öppna upp några riktigt spännande applikationer som vi vill utforska."

Ett område som är lovande är skyddande beläggningar. Många material som används för att skydda ytor från starka kemikalier är fluorerade föreningar som är starkt icke-vätande, vilket kan göra dem olämpliga för många applikationer. Att göra dessa ytor väta kan öppna upp för många nya potentiella användningsområden för sådana beläggningar.

Högtemperaturvärmerör, som används för att leda värme från en plats till en annan, till exempel för kylning av maskiner eller elektronik, är en annan lovande tillämpning. "Många av dessa arbetsvätskor är flytande metall, och de är kända för att ha mycket hög ytspänning", säger Lu. Det begränsar drastiskt valet av sådana vätskor, och detta nya tillvägagångssätt kan öppna upp för möjliga materialval.

Medan de komplexa ytfördjupningarna för denna forskning tillverkades med hjälp av halvledartillverkningsprocesser, undersöker teamet andra sätt att uppnå samma typ av texturering med 3D-utskrift eller någon annan process som lättare skulle kunna skalas upp för verkliga tillämpningar.

Teamet undersöker också variationer i storlekarna och formerna på dessa återkommande öppningar. Till exempel, säger Lu, även om det är ytarean och avståndet mellan dessa öppningar som mest avgör deras vätbarhetsbeteende, kan deras djup påverka hur stabilt detta beteende är, eftersom djupare hål är mer motståndskraftiga mot avdunstning som kan undergräva vätbarhetsförbättringarna. "Avståndet till botten av kanalen är en kritisk dimension som kan påverka vätningsbeteendet", säger han. Dessa variationer undersöks i uppföljningsarbetet.

Genom att använda kvicksilver, säger Lu, har teamet "valt vår geometriuppsättning baserat på detta svåraste fall" och kunde fortfarande visa hög vätbarhet. "Så, för mindre svåra kombinationer har du mer flexibilitet att välja förmodligen lättare att göra geometrier."

"Det finns förmodligen många industrier som kommer att gynnas", säger Wang, "oavsett om det är en kemisk processindustri eller en vattenreningsindustri eller en termisk produktindustri." Ett av nästa steg som teamet kommer att ta, säger hon, är att "prata med dessa olika industrier för att identifiera var den närmaste möjligheten finns." + Utforska vidare

Släta hydrofoba beläggningar kan vara mer effektiva för avisning av flygplan

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.