诸平
MIT: 控制“奇偶”表面和液体如何相互作用 精选
2022-1-20 20:21
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MIT: 控制奇偶表面和液体如何相互作用

诸平

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Mercury deposited on an ordinary flat surface beads up and sits atop the surface, as seen here on the left. On specially treated surfaces with re-entrant openings prefilled with liquid (on the right), a drop of mercury instead spreads out, wetting the surface.

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Researchers can now treat a surface so that a droplet of mercury spreads out on it, instead of beading up. Credit: Massachusetts Institute of Technology

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Zhengmao Lu

据美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology简称MIT)网站2022117日报道,研究人员现在可以对表面进行处理,让一小滴水银在表面扩散开来,而不是向上形成串珠,其关键还是表面的润湿性。

一个表面的润湿性,无论是水滴或另一种液体,当它们与之接触时,会向上或向外扩散,这是一个关键因素在各种各样的商业和工业中应用,如在电厂锅炉和冷凝器如何高效的工作或在工业过程中,热管烟囱是如何散热的。长期以来,这一特性一直被认为是特定一对液体和固体材料的固定特性,但现在麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法,即使是最不可能的材料组合,也能达到预期的润湿性水平。2022121日将在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences简称PNAS)刊登麻省理工学院博士后凯尔·威尔克(Kyle Wilke)、卢正茂(Zhengmao Lu音译)、杨索普·宋(Youngsop Song)和机械工程教授伊芙琳·王(Evelyn Wang)的一篇论文——Kyle Wilke, Zhengmao Lu, Youngsop Song, Evelyn Wang. Turning traditionally nonwetting surfaces wetting for even ultra-high–surface energy liquids. Proceedings of the National Academy of Sciences, Article Publication Date: 21-Jan-2022. DOI: 10.1073/pnas.2109052119. https://dx.doi.org/doi:10.1073/pnas.2109052119

润湿性通常与液体的表面张力密切相关——表面张力越高,液体就越有可能在表面形成珠状,而不是扩散到表面湿润。水银具有极高的表面张力,故被认为是高度不润湿的,因此该团队选择了这种出了名的难处理的液体作为他们的演示之一。他们能够用一种典型的非润湿材料制造出一个表面,使水银在没有化学反应的情况下扩散到表面,这是以前从未证明过的。

这种新方法是基于表面的纹理化(texturing),不管它的成分如何,在紧密间隔的凹痕上有“重入开口(reentrant openings)”——也就是说,顶部的开口比空腔的其余部分要窄,就像一个有窄口的罐子。这种有纹理的表面经过了液体预处理,液体填充了所有这些空腔,在这些空腔中留下暴露的液体区域,这改变了表面的性质。当另一种液体加入时,它对表面的响应从非润湿变为润湿,这取决于应用程序,它可能与预加载到表面的液体相同或不同

对水具有高润湿性的表面称为亲水表面,对水不润湿性的表面称为疏水表面。润湿性或非润湿性是这种行为的通称,无论所涉及的是何种液体。

虽然重入表面以前已经被证明用于其他目的,但这项工作是第一次表明,它们可以用来改变表面,以产生“以前没有被证明的润湿状态”

虽然凹表面已经演示了用于其他目的之前,这项工作是第一个表明他们可以用来改变表面产生“润湿政权,也没有被证明过, 麻省理工学院机械工程系主任、福特工程教授(Ford Professor of Engineering and head of MIT's Department of Mechanical Engineering)伊芙琳·王说。

这些发现是如此的新,以至于在现实世界中可能有许多团队还没有想到的应用,凯尔·威尔克博士说:“这是我们非常兴奋地开始探索的东西。”但热管理在各种工业过程中可能是第一个实际应用。水或其他工作流体在冷凝器表面扩散或无法扩散的方式,会对许多涉及蒸发和冷凝的过程的效率产生重大影响,包括发电厂和化学处理厂。

凯尔·威尔克博士说:“我们现在已经把一个非润湿的表面弄湿了。人们以前做过相反的事情,把湿润的东西变成不湿润的。”因此,这项新工作为能够对表面材料和液体的不同组合进行近乎完全的润湿性控制打开了大门。

“我们现在可以创造出具有最可想象的润湿性组合的表面,”凯尔·威尔克说,“我认为这肯定会开启一些我们正在探索的真正有趣的应用。”

有希望的一个领域是保护性涂层。许多用于保护表面不受有害化学品侵害的材料是氟化化合物,它们具有很强的不润湿性,这可能使它们不适合许多应用。使这些表面湿润可以为这类涂层开辟许多新的潜在用途。

用于将热量从一个地方传导到另一个地方的高温热管,如用于冷却机械或电子产品,是另一个有前景的应用。卢正茂博士说:“这些工作液中有很多是液态金属,它们具有很高的表面张力。”这极大地限制了这种流体的选择,而这种新方法可能会打开材料选择的大门,为材料的选择提供可能。

虽然这项研究中复杂的表面压痕是使用半导体制造工艺制造的,但该团队正在探索使用3D打印或其他一些更容易在现实世界应用中放大的其他方法来实现相同的纹理。

该团队还在探索这些可重入开口的大小和形状的变化。

卢正茂博士说,例如,虽然这些开口的表面积和间距主要决定了它们的润湿性行为,但它们的深度可以影响这种行为的稳定性,因为更深的孔更耐蒸发,这可能会破坏润湿性的改善。“到通道底部的距离是可能影响润湿行为的关键维度,”他说。这些变化正在后续工作中加以探讨。

卢正茂说,通过使用水银,该团队“根据这个最困难的情况选择了我们的几何设置”,并且仍然能够证明高润湿性。“所以,对于不那么困难的组合,你有更多的灵活性来选择,可能更容易做出几何图形。

伊芙琳·王说:“可能会有很多行业从中受益,无论是化学加工行业、水处理行业还是热产品行业。”她说,该团队下一步将采取的措施之一,是“与这些不同的行业讨论,以确定最近的机遇在何处。”

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Controlling how 'odd couple' surfaces and liquids interact


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