Sciencemag.cz
Doporučujeme
Mikrodutiny, hrbolky a ještě sloupky, vše v různých měřítkách…
Rychlost varu vody na horkém povrchu ovlivňují dva hlavní faktory, které ale působí proti sobě. Rychlý var znamená rychlý vznik bublinek. Jenže pokud je bublinek příliš mnoho, mohou se spojit a vytvořit film páry, který pak přenos tepla z povrchu do zbytku kapaliny naopak zpomaluje.
Výzkumníci již dlouho zkoumají různé úpravy povrchu, které by umožnily vyhnout se nutnosti kompromisu mezi příslušnými dvěma parametry (součinitel přestupu tepla a kritický tepelný tok, kdy dochází k fázové změně a účinnost přenosu tepla klesá). Youngsup Song a jeho kolegové z MITu nyní navrhují vyrýpat do povrchu mikrodutiny (prostě důlky), v nichž by se bublinky držely a nemohly proto vytvářet pro teplo špatně prostupnou souvislou vrstvu. Konkrétně autoři studie vyzkoušeli důlky široké 10 mikrometrů, vzdálené od sebe vždy asi 2 mm. Toto oddělení však také snižuje koncentraci bublinek na povrchu (jsou jen v důlcích), což může snížit účinnost varu. Kvůli tomu vše doplnila další povrchová úprava: hrbolky a hřebínky v mnohem menším (nanometrovém) měřítku, které zvětšují povrch a podporují rychlost odpařování pod bublinkami. Dále pak byly dutiny vytvořeny ve středech řady sloupků na povrchu materiálu. Tyto pilíře v kombinaci s nanostrukturami podporují odvádění kapaliny od základny k jejich vrcholům, a to zvyšuje proces varu tím, že poskytuje větší horký povrch vystavený vodě. Kombinace těchto tří úrovní povrchové struktury (dutin, sloupků a nanovrstevnaté textury) pak finálně umožňuje opravdu efektivní var.
„Mikrodutiny vymezují místo, kde bubliny vystupují,“ shrnuje Song. „Tím, že tyto dutiny oddělíme na 2 milimetry, oddělíme bubliny od sebe a minimalizujeme jejich shlukování. Nanostruktury zároveň podporují odpařování pod bublinami a kapilární působení vyvolané sloupky přivádí kapalinu do základny bublin. To udržuje vrstvu kapalné vody mezi vařícím povrchem a bublinkami páry, což zvyšuje maximálně dosažitelný tepelný tok.“
Samotná struktura byla vytvořena drahými a náročnými postupy, jimž se vyrábějí čipy (ultračistá výroba apod.), technika proto zatím není použitelná v průmyslovém měřítku. Existují ale jiné postupy, jimiž by se dalo dosáhnout podobného výsledku, např. elektrodepozice.
Celou techniku by šlo využít jak v běžných průmyslových procesech, tak i při chlazení elektroniky. Zde se ovšem používají spíše jiné kapaliny než voda (dielektrické kapaliny) a jejich povrchové napětí i další vlastnosti se liší. Rozměry jednotlivých prvků („úrovní“) úpravy povrchu by proto bylo třeba upravit každé látce na míru.
Video níže ukazuje, jak jsou bubliny stoupající z ohřátého povrchu díky speciální povrchové textuře přichyceny na konkrétních místech, místo aby se rozprostřely po celém povrchu.
Youngsup Song et al, Three‐Tier Hierarchical Structures for Extreme Pool Boiling Heat Transfer Performance, Advanced Materials (2022). DOI: 10.1002/adma.202200899
Zdroj: David L. Chandler: Designing surfaces that make water boil more efficiently, MIT News
Viz také:
Tanec kapek vody na rozpálené plotně známe. S ledem je to ještě zajímavější
