Концептуальная иллюстрация исследования. Наноразмерная полимерная пленка, нанесенная на медную трубку методом инициированного химического осаждения из газовой фазы (iCVD), способствует зарождению капель при конденсации водяного пара и облегчает быстрое удаление образовавшихся капель. На круглой вставке показаны наноразмерные агрегаты на поверхности полимера, которые способствуют зарождению конденсации. Источник: KAIST

Новое полимерное покрытие помогает быстрее формировать и отделять капли воды, увеличивая теплопередачу за счет конденсации на медных поверхностях до 5,5 раз.

Капли воды, образующиеся на холодной поверхности, могут либо способствовать эффективному переносу тепла, либо создавать тонкий изолирующий слой, замедляющий этот процесс. Исследователи из Корейского института передовых технологий разработали ультратонкое полимерное покрытие, которое способствует более быстрому образованию и испарению капель, повышая эффективность теплопередачи при конденсации в 5,5 раза по сравнению с обычными медными поверхностями. Этот подход может повысить энергоэффективность электростанций и систем опреснения, а также улучшить охлаждение электронных устройств.

KAIST (президент Choongsik Bae) 23 августа объявила, что совместная исследовательская группа, возглавляемая профессором Янгсук Нам с факультета машиностроения и профессором Сон Гап Им с факультета химической и биомолекулярной инженерии, создала технологию путем контроля толщины и структуры ультратонкого полимерного слоя. Покрытие позволяет большему количеству капель начать формироваться по мере конденсации водяного пара, а также помогает этим каплям быстрее отделяться.

Конденсация происходит, когда водяной пар превращается в жидкую воду. Этот знакомый всем процесс можно наблюдать, когда влага собирается на поверхности холодного напитка. В промышленных системах тот же процесс используется для превращения пара в воду на электростанциях, получения пресной воды из морской и отвода тепла от электронных устройств. 

Слева направо: профессор Ёнсук Нам, кандидат наук Джун Су Ким, профессор Сон Гап Им и кандидат наук Минджон Кан. Фото: KAIST

Более быстрое удаление капель улучшает теплопередачу

Эффективность конденсации зависит от быстрого удаления воды с поверхности. На обычных металлических поверхностях мелкие капли сливаются и образуют тонкую водяную пленку. Эта пленка действует как дополнительное тепловое сопротивление, замедляя движение тепла — примерно так же, как слои зимней одежды уменьшают потерю тепла телом.

Теплопередача улучшается, когда конденсат образуется в виде отдельных капель, которые постоянно формируются и отделяются, обнажая свежую поверхность под ними. Этот процесс известен как капельная конденсация. Вместо того чтобы покрывать поверхность водой, капли образуются, падают и освобождают место для новых, что способствует более эффективной передаче тепла.

Предыдущие разработки в области создания поверхностей сталкивались с фундаментальным противоречием. Добавление шероховатости создает больше мест, где могут начать формироваться капли, но эти же структуры могут задерживать капли, затрудняя их удаление. Если сделать поверхность более гладкой, эффект будет противоположным: капли будут легче отделяться, но останется меньше мест, где могут образоваться новые капли.

Полимерные дефекты решают проблему противоречивости поверхности

Исследователи преодолели это противоречие, воспользовавшись преимуществами наноразмерных полимерных агрегатов, которые традиционно считались «дефектами» полимерных покрытий. Они создали пленки с помощью метода инициированного химического осаждения из газовой фазы (ИХОГФ), при котором газофазные прекурсоры осаждаются на поверхность, образуя ультратонкий полимерный слой. Когда пленка становилась тоньше, на поверхности появлялись плотные скопления мелких полимерных агрегатов, которые служили центрами нуклеации для формирования капель воды. В тонких пленках образовывалось примерно в три раза больше капель, чем в более толстых.

Затем исследователи применили термическую обработку, чтобы ослабить силу, удерживающую капли на поверхности, и дать им возможность испариться, пока они не стали слишком большими. По сути, уменьшение толщины пленки увеличивало количество мест, где могли образовываться капли, а термическая обработка облегчала их испарение. Таким образом, можно было независимо контролировать два конкурирующих фактора: толщина пленки влияла на зарождение капель, а термическая обработка способствовала их испарению.

Как только одна капля испаряется, на освободившемся месте может начать формироваться другая. Подобно тому, как пустующее место занимает следующий пассажир, как только предыдущий встает, более быстрые циклы образования и испарения капель постоянно обновляют поверхность и улучшают теплопередачу при конденсации.

Медные трубки передавали гораздо больше тепла

Чтобы протестировать покрытие в более реалистичных условиях, исследователи нанесли его на медные трубки, которые обычно используются в конденсаторах. Максимальный коэффициент теплопередачи при конденсации достиг примерно 88 кВт·м⁻²·К⁻¹. Это примерно в 5,5 раза превышает эффективность теплопередачи обычной медной поверхности, покрытой водяной пленкой, и более чем на 50% превосходит эффективность обычного гидрофобного покрытия.

Вместо того чтобы полагаться только на гладкие поверхности или поверхности, отталкивающие воду, ученые намеренно использовали крошечные «дефекты» поверхности в качестве полезных элементов. Наноразмерные частицы, которые обычно удаляются с полимерных пленок, стали местами, способствующими образованию капель, что позволило разработать новую стратегию создания поверхностей для конденсации.

Если адаптировать это покрытие для электростанций или промышленных теплообменников, оно может повысить энергоэффективность за счет более эффективного отвода тепла. Тот же принцип может способствовать более эффективному сбору воды в системах опреснения и водосбора, а также ускорять отвод тепла от электронных устройств.

Профессор Нам сказал: «Это исследование имеет большое значение, поскольку в нем используются наноструктуры, которые ранее считались дефектами, но на самом деле способствуют формированию капель. Мы представили новый метод повышения эффективности теплопередачи за счет раздельного контроля образования и удаления капель». Он добавил: «Поскольку эта технология позволяет формировать очень тонкие однородные покрытия даже на поверхностях сложной формы, мы ожидаем, что она найдет применение в различных областях энергетики и экологии, в том числе в промышленных теплообменниках».