Учёные превратили крошечные «дефекты» в пятикратный прирост теплопередачи

Исследователи разработали новое покрытие поверхности, повышающее эффективность конденсационной теплопередачи до 5,5 раза по сравнению с обычными медными поверхностями. Технология помогает каплям воды легче зарождаться и быстрее отрываться от поверхности; такое сочетание может повысить энергоэффективность электростанций и опреснительных установок, а также улучшить охлаждение электронных устройств.

23 августа KAIST (президент — Чунсик Бэ) объявил, что объединённая команда под руководством профессора Ёнсук Нама с кафедры машиностроения и профессора Сон Гап Има с кафедры химической и биомолекулярной инженерии создала эту технологию, точно контролируя толщину и структуру ультратонкого полимерного покрытия. Покрытие способствует появлению большего числа капель при конденсации водяного пара и одновременно облегчает их уход с поверхности.

Конденсация — это переход водяного пара в жидкую воду; знакомый пример — слой капель на внешней стороне стакана с холодным напитком. В промышленности конденсация играет важную роль при превращении пара обратно в воду на электростанциях, получении пресной воды из морской и отводе тепла от электронного оборудования.

Чтобы такие системы работали эффективно, сконденсированную воду нужно быстро удалять с поверхности. На обычных металлических поверхностях мелкие капли часто сливаются в сплошную водяную плёнку. Эта плёнка создаёт дополнительный барьер для теплового потока, снижая эффективность теплопередачи — примерно так же, как несколько слоёв зимней одежды замедляют отвод тепла от тела.

Более эффективный процесс протекает, когда вода остаётся в виде отдельных капель, которые циклически зарождаются и отрываются. Такое поведение называется капельной (dropwise) конденсацией. Поскольку капли уходят, не образуя сплошного слоя, свежие участки поверхности постоянно открываются, и тепло проходит через поверхность эффективнее.

Прежние конструкции поверхностей упирались в важное ограничение. Шероховатые поверхности дают больше мест для зарождения капель, но те же структуры удерживают капли и затрудняют их удаление. Гладкие поверхности позволяют каплям легче скользить и отрываться, но предоставляют меньше центров зарождения новых капель. Так возникает фундаментальный компромисс между нуклеацией — начальным образованием капель — и подвижностью капель.

Исследователи решили эту проблему, использовав наноразмерные агрегаты полимера, которые ранее рассматривались как нежелательные «дефекты» полимерных покрытий. Покрытие наносили методом инициированного химического осаждения из газовой фазы (iCVD) — техникой, при которой газофазные прекурсоры осаждаются на поверхность, образуя чрезвычайно тонкий полимерный слой.

Когда полимерную плёнку делали тоньше, на поверхности появлялось множество мелких полимерных агрегатов. Вместо того чтобы устранять эти структуры, команда использовала их как центры нуклеации, где начинают зарождаться капли воды. Тонкие полимерные плёнки давали примерно втрое больше капель, чем толстые.

Затем команда применила термообработку, ослабившую силу, удерживающую капли на покрытой поверхности. Это позволило каплям отрываться легче, зачастую прежде, чем они успевали сильно вырасти. Два изменения затрагивали разные этапы процесса конденсации: уменьшение толщины плёнки увеличивало число мест зарождения капель, а термообработка облегчала их уход с поверхности. Контролируя эти эффекты раздельно, исследователи преодолели обычный конфликт между образованием большего числа капель и их быстрым удалением.

Как только капля уходит, на освободившемся месте может зародиться новая. Процесс похож на свободное место, которое занимают сразу, как только кто-то встаёт. Чем чаще капли появляются и уходят, тем чаще поверхность обновляется, и тепло проходит через неё эффективнее.

Чтобы испытать технологию в условиях, приближенных к реальным применениям, исследователи нанесли полимерное покрытие на медные трубки, обычно используемые в конденсаторах. Максимальный коэффициент конденсационной теплопередачи, характеризующий способность поверхности передавать тепло, достиг примерно 88 кВт·м-2·К-1. Это соответствует теплопередаче до ~5,5 раза выше, чем у обычной медной поверхности, покрытой водяной плёнкой. Новое покрытие также показало более чем на 50% лучшую эффективность, чем стандартная гидрофобная поверхность.

Вместо того чтобы полагаться только на гладкие или водоотталкивающие поверхности, исследователи сознательно использовали мелкие «дефекты» поверхности. Результаты показали, что наночастицы, ранее считавшиеся недостатками, подлежащими устранению, могут служить полезными центрами зарождения капель. Это привело команду к новой стратегии проектирования конденсационных поверхностей.

Если покрытие удастся применить на электростанциях или в промышленных теплообменниках, оно может повысить энергоэффективность за счёт более эффективного отвода тепла. Технология также могла бы улучшить сбор воды в опреснительных и водосборных устройствах, а более быстрый отвод тепла — обеспечить лучшее охлаждение электронного оборудования.

«Это исследование значимо тем, что наноструктуры, ранее считавшиеся дефектами, используются как элементы, помогающие каплям образовываться. Мы представили новый метод повышения эффективности теплопередачи за счёт раздельного управления зарождением и удалением капель», — сказал профессор Нам. Он добавил: «Поскольку эта технология позволяет формировать чрезвычайно тонкие равномерные покрытия даже на поверхностях сложной формы, мы ожидаем её применения в различных энергетических и экологических приложениях, включая промышленные теплообменники».

Первыми авторами работы выступили Джун Су Ким, исследователь кафедры машиностроения, и Минджон Кан, исследователь кафедры химической и биомолекулярной инженерии. Результаты опубликованы онлайн в международном журнале Nature Communications 16 июля. Исследование поддержано программой для исследователей среднего звена (Министерство науки и ИКТ и Национальный исследовательский фонд Кореи), программой развития технологических инноваций малого и среднего бизнеса (Министерство МСП и Корейское агентство содействия технологиям и информации для МСП) и программой поддержки диптех-стартапов (Министерство науки и ИКТ и агентство коммерциализации результатов НИОКР COMPA).