Bepalen hoe ‘odd couple’ oppervlakken en vloeistoffen op elkaar inwerken

De bevochtigbaarheid van een oppervlak – of het nu waterdruppels of een andere vloeistof zijn die zich opstapelen of verspreiden wanneer ze ermee in contact komen – is een cruciale factor in een breed scala aan commerciële en industriële toepassingen, zoals hoe efficiënt ketels en condensors werken in vermogen fabrieken of hoe heatpipes warmte afvoeren in industriële processen. Dit kenmerk werd lang gezien als een vaste eigenschap van een bepaald paar vloeibare en vaste materialen, maar nu hebben MIT-onderzoekers een manier ontwikkeld om zelfs de meest onwaarschijnlijke combinaties van materialen een gewenst niveau van bevochtigbaarheid te geven.

Het nieuwe proces wordt deze week beschreven in het journaal Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS), in een paper van MIT-postdocs Kyle Wilke, Zhengmao Lu en Youngsop Song en hoogleraar werktuigbouwkunde Evelyn Wang.

Bevochtigbaarheid is meestal nauw verbonden met de oppervlaktespanningseigenschappen van een vloeistof – hoe hoger de oppervlaktespanning, hoe groter de kans dat de vloeistof parels op een oppervlak vormt in plaats van zich uit te spreiden om het oppervlak nat te maken. Kwik heeft een uitzonderlijk hoge oppervlaktespanning en wordt daarom als zeer niet-bevochtigend beschouwd, en daarom koos het team deze notoir moeilijke vloeistof voor een van hun demonstraties. Ze waren in staat om een ​​oppervlak te produceren, gemaakt van een typisch niet-bevochtigend materiaal, dat ervoor zorgde dat kwik zich erover verspreidde zonder een chemische reactie, iets wat nog nooit eerder is aangetoond.

De nieuwe methode is gebaseerd op het textureren van het oppervlak, ongeacht de samenstelling, met dicht bij elkaar liggende inkepingen die “inspringende openingen” hebben – dat wil zeggen, de opening aan de bovenkant is smaller dan de rest van de holte, een beetje zoals een pot met een smal mond. Dit getextureerde oppervlak is voorbehandeld met een vloeistof die al deze holtes vult, waardoor blootgestelde vloeistofgebieden in deze openingen over het oppervlak achterblijven, wat de eigenschappen van het oppervlak verandert. Wanneer een andere vloeistof wordt toegevoegd, die afhankelijk van de toepassing hetzelfde of verschillend kan zijn van de vloeistof die vooraf in het oppervlak is geladen, verandert de reactie op het oppervlak van niet-bevochtigend in bevochtigend.

Oppervlakken met een hoge bevochtigbaarheid voor water staan ​​bekend als hydrofiel, en oppervlakken die niet bevochtigend zijn voor water staan ​​bekend als hydrofoob. Bevochtigbaarheid of niet-bevochtigbaarheid is de algemene term voor dergelijk gedrag, ongeacht de betreffende vloeistof.

Hoewel eerder betredende oppervlakken voor andere doeleinden zijn gedemonstreerd, is dit werk het eerste dat aantoont dat ze kunnen worden gebruikt om het oppervlak te veranderen om “bevochtigingsregimes te produceren die nog niet eerder zijn aangetoond”, zegt Wang, die de Ford Professor of Engineering is. en hoofd van de afdeling Werktuigbouwkunde van het MIT.

De bevindingen zijn zo nieuw dat er misschien veel toepassingen in de echte wereld zijn waar het team nog niet aan heeft gedacht, zegt Wilke: “Dat is iets waar we erg enthousiast over zijn om te gaan verkennen”, zegt hij. Maar thermisch beheer in verschillende industriële processen zal waarschijnlijk een van de eerste praktische toepassingen zijn. De manier waarop water of een andere werkvloeistof zich verspreidt of niet verspreidt over condensoroppervlakken, kan een grote invloed hebben op de efficiëntie van veel processen waarbij verdamping en condensatie betrokken zijn, waaronder elektriciteitscentrales en chemische verwerkingsfabrieken.

“We hebben nu een niet-bevochtigend oppervlak genomen en het nat gemaakt”, zegt Wilke. “Mensen hebben eerder het tegenovergestelde gedaan, door iets te nemen dat nat is en het niet nat te maken.” Dit nieuwe werk opent dus de deur naar het kunnen uitoefenen van bijna volledige controle over de bevochtigbaarheid voor verschillende combinaties van oppervlaktematerialen en vloeistoffen.

“We kunnen nu oppervlakken creëren met de meest denkbare combinaties van bevochtigbaarheid”, zegt Wilke. “Ik denk dat dit zeker een aantal echt intrigerende toepassingen kan openen die we willen verkennen.”

Een veelbelovend gebied is beschermende coatings. Veel materialen die worden gebruikt om oppervlakken te beschermen tegen agressieve chemicaliën zijn gefluoreerde verbindingen die sterk niet-bevochtigend zijn, waardoor ze voor veel toepassingen ongeschikt kunnen zijn. Door die oppervlakken te bevochtigen, zouden veel nieuwe potentiële toepassingen voor dergelijke coatings kunnen ontstaan.

Een andere veelbelovende toepassing is hittepijpen voor hoge temperaturen, die worden gebruikt om warmte van de ene plaats naar de andere te geleiden, zoals voor het koelen van machines of elektronica. “Veel van die werkvloeistoffen zijn vloeibaar metaal en het is bekend dat ze een zeer hoge oppervlaktespanning hebben”, zegt Lu. Dat beperkt de keuze voor dergelijke vloeistoffen drastisch, en deze nieuwe benadering zou mogelijke materiaalkeuzes kunnen openen.

Hoewel de complexe inkepingen in het oppervlak voor dit onderzoek werden vervaardigd met behulp van halfgeleiderproductieprocessen, onderzoekt het team andere manieren om hetzelfde soort texturen te bereiken met behulp van 3D-printen of een ander proces dat gemakkelijker kan worden opgeschaald voor toepassingen in de echte wereld.

Het team onderzoekt ook variaties in de maten en vormen van deze herintredende openingen. Lu zegt bijvoorbeeld dat, hoewel het oppervlak en de afstand van deze openingen vooral hun bevochtigingsgedrag bepalen, hun diepte invloed kan hebben op hoe stabiel dit gedrag is, omdat diepere gaten beter bestand zijn tegen verdamping, wat de bevochtigingsverbeteringen zou kunnen ondermijnen. “De afstand tot de bodem van het kanaal is een kritische dimensie die het bevochtigingsgedrag kan beïnvloeden”, zegt hij. Die variaties worden onderzocht in vervolgonderzoek.

Door kwik te gebruiken, zegt Lu, “koos het team onze geometrieset op basis van dit moeilijkste geval”, en was nog steeds in staat om een ​​hoge bevochtigbaarheid aan te tonen. “Dus voor minder moeilijke combinaties heb je meer flexibiliteit om te kiezen, waarschijnlijk gemakkelijker om geometrieën te maken.”

“Er zijn waarschijnlijk veel industrieën die hiervan zullen profiteren”, zegt Wang, “of het nu gaat om een ​​chemische verwerkende industrie, een waterbehandelingsindustrie of een thermische productenindustrie.” Een van de volgende stappen die het team zal nemen, zegt ze, is “met deze verschillende industrieën praten om te bepalen waar de dichtstbijzijnde kans is.”