Neue Oberflächen verzögern die Eisbildung | 2020

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Anonim

"Die Leute wissen intuitiv, dass Frost schlimm sein kann", sagte Amy Betz, Professorin für Maschinenbau an der Kansas State University. Betz und ihre Kollegen haben eine Oberfläche geschaffen, die die Frostbildung auch bei Temperaturen von bis zu 6 Grad Celsius unter dem Gefrierpunkt erheblich verzögern kann. Die Oberfläche ist biphil, was bedeutet, dass sie Wasser in einigen Bereichen abstößt und in anderen Bereichen anzieht. Die Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in einem Artikel in der Zeitschrift Angewandte Physik Briefe , von AIP Publishing.

Frühere Forschungen anderer Gruppen konzentrierten sich hauptsächlich auf die frostverhindernden Eigenschaften superhydrophober (ultra wasserabweisender) Oberflächen. Im Allgemeinen wirken die Oberflächen so, dass sie Wassertropfen abweisen, bevor sie Zeit zum Einfrieren haben. Es gibt jedoch wenig Forschung zu Oberflächen, die hydrophobe und hydrophile Bereiche mischen.

Betz hatte Erfahrung mit solchen biphilen Oberflächen für Siedeversuche - 2012 stellten sie und ihre Kollegen fest, dass superhydrophile Oberflächen mit superhydrophoben Hexaganolflecken im Vergleich zu Oberflächen mit gleichmäßiger Benetzbarkeit den effizientesten Wärmeübergang beim Kochen bewirken. Sie fragte sich, wie sich ähnliche Oberflächen mit "gespaltener Persönlichkeit" auf die Eisbildung auswirken würden.

Betz erstellte zusammen mit Melanie Derby, Professorin für Maschinenbau an der Kansas State University, und den Studenten Alexander Van Dyke und Diane Collard drei verschiedene biphilen Oberflächenmuster. Jede Oberfläche bestand aus hydrophilen Kreisen auf einem hydrophoben Hintergrund. Für zwei der Oberflächen hatten die Kreise einen Durchmesser von 200 Mikrometern und waren entweder in einem gleichmäßigen Raster angeordnet, wie die Punkte auf der 4-Seite der Würfel, oder versetzt, wie die Punkte auf der 5-Seite der Würfel. Die dritte Fläche bestand aus kleineren, 25 Mikrometer großen Kreisen in einem gleichmäßigen Raster. Die Forscher stellten auch eine rein hydrophobe Oberfläche und eine rein hydrophile Oberfläche her.

Anschließend testete das Team die Oberflächen, indem es sie in eine Kammer mit unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchten stellte und drei Stunden auf die Bildung von Frost wartete. Eiskristalle traten bei den wärmsten Temperaturen für die hydrophile Oberfläche auf - bei etwa 1-2 Grad Celsius unter dem Gefrierpunkt. Die hydrophobe Oberfläche senkte die zum Einfrieren erforderliche Temperatur im dreistündigen Zeitraum um etwa 1 Grad Celsius. Die biphilen Oberflächen hatten jedoch den größten Erfolg. Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 60 Prozent erforderten alle drei biphilen Oberflächen Temperaturen um 6 Grad unter dem Gefrierpunkt, bevor sich im dreistündigen Fenster Eis bildete.

Die Forscher führen die Frostschutzeigenschaften auf die ungewöhnliche Kondensations- und Koaleszenzdynamik auf den biphilen Oberflächen zurück. Anfangs bildeten sich auf den hydrophoben und hydrophilen Bereichen kleine Tröpfchen mit einem Durchmesser von etwa 5 Mikrometern, sagte Betz, aber als die Tröpfchen wuchsen, verschmolzen sie mit anderen Tröpfchen und schlossen sich auf die hydrophilen Stellen ein. Jedes Mal, wenn ein Tröpfchen mit einem anderen Tröpfchen verschmolz, setzte es Energie frei, die durch die Oberflächenspannung gehalten wurde, da die Oberfläche des neuen Tröpfchens kleiner war als die kombinierte Oberfläche der beiden Tröpfchen vor dem Verschmelzen. Das neue Tröpfchen war auch größer, was die zum Einfrieren erforderliche Energieentfernung erhöhte. Beide Faktoren verzögerten das Einfrieren der Tröpfchen, sagten die Forscher.

Die Forscher glauben, dass sie das biphile Muster ändern können, um die Frostverzögerung, die koaleszierende Tröpfchen bieten, maximal zu nutzen. "Wir arbeiten derzeit an einer Sternform, die die Koaleszenz maximieren soll", sagte Betz. Die Größen und Formen der Oberflächen könnten auch so eingestellt werden, dass sie in bestimmten Umgebungen mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit am besten frostbeständig sind.

Die Forscher stellten die Oberflächen aus Siliziumwafern und einer dünnen Schicht einer in der Halbleiterindustrie üblichen hydrophoben Chemikalie her. Die Oberflächen waren stark genug, um über zwei Jahre Hunderte von Teststunden zu überstehen, aber Betz sagte, dass wahrscheinlich robustere Materialien für kommerzielle Anwendungen von frostbeständigen Oberflächen verwendet werden würden. Sie sagte, Flugzeugflügel seien eine naheliegende Anwendung, aber es gebe viele andere, darunter Kühlschränke, Klimaanlagen und luftgekühlte Kondensatoren in Kraftwerken.

"In Kansas ist es heiß und feucht, und in dem Sommer, als ich hierher gezogen bin, hatten viele Leute Probleme mit dem Einfrieren ihrer Klimaanlagen", sagte Betz und verwies auf ein häufiges Problem, bei dem sich zu wenig Luft oder zu wenig Kältemittel Eis ansammeln an den Wechselstromgeräten, wodurch Hausbesitzer gezwungen werden, die Geräte auszuschalten, um sie abzutauen. "Vielleicht könnte eine biphile Oberfläche helfen."