受植物启发的更高效的热冷却方法

时间：2021-09-12 11:52:05 来源：

研究蒸发：麦凯维工程学院的机械工程师将类似于荷叶（上图）中的特性与玫瑰花瓣上的特性相结合，以寻找更有效的液滴从表面蒸发的方法。

麦凯维工程机械工程师创造了生物启发式蒸发技术

当水滴碰到荷叶的表面时，它们会形成小珠并滚动下来，并沿途收集灰尘颗粒。相反，玫瑰花瓣上的水滴也形成珠子，但仍固定在花瓣的表面。圣路易斯华盛顿大学的机械工程师结合了这两个概念，以找到一种更有效的方法来使液滴从表面蒸发。

麦凯维工程学院机械工程与材料科学助理教授帕特里夏·维森塞（Patricia Weisensee）最初计划在表面上建立一种图案，该图案既可以排斥类似于荷叶的液体，也可以排斥类似于玫瑰花瓣的针状小滴，从而在雨滴等液滴撞击过程中影响润湿。就像荷叶一样，当水撞击到驱虫剂或超疏水性表面时，水滴容易反弹，类似于经过处理的挡风玻璃上的雨水。在传热和蒸发中，由于水与表面之间的接触时间短，这些超疏水表面效率很低。相反，当液体与可以润湿的亲水性表面接触时，它会散布在整个表面上，形成液体水坑，并需要很长时间才能蒸发。Weisensee希望创建一种具有排斥和润湿特性的表面，该表面将产生小的子滴，并结合两种类型的表面的优点：润湿表面上的液滴钉扎和蒸发，而没有淹没整个排斥表面的风险。然后，她观察了它们的行为，以了解更多有关蒸发的信息，该蒸发是高科技电子设备热管理的一种冷却方法。

她的工作结果于2019年12月20日在Langmuir在线发布。

Weisensee和她的合著者，来自中国哈尔滨大学的客座博士生Qi Wenliang Qi和机械工程与材料科学专业的McKelvey Engineering博士生Li Junhui将一滴水放在他们加热的水平表面上具有润湿性和排斥性的设计。他们使用光学和红外成像技术研究了液滴的行为，包括液滴的大小和形状以及温度，传热和蒸发速率。

Patricia Weisensee和她的实验室研究了固定在垂直表面上的液滴的温度和蒸发行为。

Weisensee说：“在水平表面上，一切都很好且对称，并且表现出我们期望的样子。”“但是我们决定在垂直表面上放置一个液滴，我们看到了截然不同的行为。”

该团队创建了一个表面，该表面在超疏水表面的中心具有一个稍微亲水的斑点，使液滴固定在该表面上。如果没有自定义图案，重力将导致液滴沿表面滚动。

“我们看到的是，突然之间，热信号不再对称，这与我们的预期相反，” Weisensee说。“我们看到液滴底部的温度较低，而顶部的温度较高，这意味着尽管较高的接触角和周围空气的蒸发限制“楔形效应”，但底部的传热仍高于顶部。。

他们向液滴中添加了小颗粒，以便能够看到内部对流的流动。

她说：“我们看到水流从水滴的底部到顶部，从浮力的角度来看是没有意义的，因为热水比冷水轻。”“它应该自我稳定，而较冷的水会停留在底部。显然，解决这一明显矛盾的答案必须在其他地方。”

通过计算流体动力学模拟，研究小组发现，由于潮湿空气的密度较低，加热后的垂直表面上的蒸汽饱和空气在液滴周围形成了火焰形状。

Weisensee说：“由于液滴周围的蒸气流动，这将更多蒸气置于顶部。”“当液滴顶部周围有更多的蒸气时，水的蒸发就不那么容易了，因为已经有那么多蒸气，因此蒸发速率受到限制。但是，在底部，您会不断去除蒸气，因为它将上升到顶部。”

Weisensee说，由于改进的流动和热特征，垂直液滴的蒸发效率比水平液滴的蒸发效率高约10％。

这项工作的见解可以帮助指导喷雾冷却装置的未来设计，或在基于蒸发的制造技术期间用于改变颗粒沉积模式。

参考：齐文良，李俊辉和Patricia B. Weisensee的“水平和垂直双疏水图案表面上无水水滴的蒸发”，2019年12月6日，朗缪尔。DOI：
10.1021 / acs.langmuir.9b02853

这项研究的资金由圣路易斯华盛顿大学和中国奖学金委员会（Qi）提供。