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在包括大多数发电厂、许多化学生产企业，甚至电子设备冷却系统在内的大多数工业生产的过程中，需要大量沸腾的水来进行工作。
他们可以通过提高加热和蒸发水的系统的效率来显着减少能源使用。麻省理工学院的研究人员目前已经找到了一种方法来做到这一点，对这些系统中使用的材料进行专门设计的表面处理。
三种不同类型的表面改性，在不同的尺寸范围内，共同提高了效率。麻省理工学院最近毕业的 Youngsup Song 博士 '、工程学教授 Evelyn Wang 和麻省理工学院的其他四位教授在《Advanced Materials》杂志上发表了一篇论文，对此研究发现进行了描述。这些科学家们说，这一初步发现仍处于实验室规模，需要付出更多努力来开发实用的工业规模工艺。
本实验中沸腾的水
研究人员测试装置的高速视频显示水在经过特殊处理的表面上沸腾，这会导致气泡在特定的单独点形成，而不是在整个表面以薄膜的形式扩散，从而提高沸腾效率。视频已减慢 100 可以显示更多细节。
传热系数 (HTC) 和临界热通量 (CHF) 是描述沸腾过程的两个关键参数。在材料设计中通常会在两者之间进行权衡，因此任何改善其中一个参数的方法都会使另一个参数变得更糟。但两者对于系统的效率都至关重要，现在，经过多年的工作，通过将添加到材料表面的不同纹理组合起来，科学家团队实现了一种同时显着改善这两种特性的方法。
“这两个参数都很重要，”Song说，“但同时增强这两个参数有点棘手，因为它们有内在的权衡。” 他解释说，原因是“因为如果沸腾表面有很多气泡，这意味着沸腾非常有效，但如果表面上有太多气泡，它们会聚结在一起，形成蒸汽在沸腾的表面上形成薄膜。” 该薄膜对从热表面到水的热传递产生阻力。“如果我们在地表和水之间有蒸汽，就会阻止传热效率并降低 CHF 值，”他说。
Song现在是劳伦斯伯克利国家实验室的博士后研究员，作为他在麻省理工学院博士论文工作的一部分，他进行了大部分研究。虽然之前已经研究过他开发的新表面处理的各个组成部分，但研究人员表示，这项工作首次表明这些方法可以结合起来克服两个竞争参数之间的权衡。
新表面处理的关键是添加几个不同尺寸的纹理。电子显微镜图像显示毫米级的柱子和凹痕（前两个图像），其表面覆盖有微小的纳米级脊（下两个图像），以提高沸腾反应的效率。
在表面上添加一系列微尺度空腔或凹痕是一种控制气泡在该表面上形成的方式，使它们有效地固定在凹痕的位置，并防止它们扩散成耐热薄膜。在这项工作中，研究人员创建了一个10微米宽的凹痕阵列，间隔约2毫米，以防止薄膜形成。但这种分离也会降低表面气泡的浓度，从而降低沸腾效率。为了弥补这一点，该团队引入了一种小得多的表面处理，在纳米尺度上产生微小的凸起和脊，从而增加了表面积并促进了气泡下的蒸发速率。
在这些实验中，空腔是在材料表面的一系列柱子的中心制作的。这些柱子与纳米结构相结合，促进了液体从底部到顶部的芯吸，这通过提供更多暴露于水中的表面积来增强沸腾过程。结合起来，表面纹理的三个“层”——空腔分离、柱子和纳米级纹理——为沸腾过程提供了大大提高的效率，Song说。
“这些微腔定义了气泡出现的位置，”他说。“但是通过将这些空腔分开2毫米，我们可以分离气泡并最大限度地减少气泡的聚结。” 同时，纳米结构促进气泡下的蒸发，由柱体引起的毛细作用为气泡底部提供液体。这会在沸腾表面和蒸汽气泡之间保持一层液态水，从而增强最大热通量。
照片显示由于特殊的表面纹理，从加热表面升起的气泡如何“固定”在特定位置，而不是扩散到整个表面。
Wang说，尽管他们的工作已经证实，这些表面处理的组合可以发挥作用并达到预期的效果，但这项工作是在小规模实验室条件下完成的，无法轻易扩大到实际设备。“我们正在制作的这些类型的结构并不是要以目前的形式进行扩展，”她说，而是用来证明这样的系统可以工作。下一步将是寻找创建这些表面纹理的替代方法，以便这些方法可以更容易地放大到实际尺寸。
“表明我们可以通过这种方式控制表面以获得增强是第一步，”她说。“那么下一步就是考虑更具可扩展性的方法。” 例如，尽管这些实验中表面的柱子是使用通常用于生产半导体芯片的洁净室方法创建的，但还有其他要求不高的方法来创建此类结构，例如电沉积。还有许多不同的方法来产生表面纳米结构纹理，其中一些可能更容易扩展。
可能有一些重要的小规模应用可以以目前的形式使用此过程，例如电子设备的热管理，随着半导体设备变得越来越小并且管理它们的热输出变得越来越重要，这一领域变得越来越重要。“这绝对是一个非常重要的空间，”王说。
即使是这些类型的应用也需要一些时间来开发，因为电子产品的热管理系统通常使用水以外的液体，称为介电液体。这些液体具有与水不同的表面张力和其他特性，因此必须相应地调整表面特征的尺寸。Wang说，研究这些差异是正在进行的研究的下一步工作之一。
Song说，同样的多尺度结构化技术也可以应用于不同的液体，通过调整尺寸来考虑液体的不同特性。“这些细节是可以改变的，这可能是我们的下一步，”他说。
（参考：“用于极端池沸腾传热性能的三层结构结构”，作者：Youngsup Song、Carlos D. Díaz-Marín、Lenan Zhang、Hyeongyun Cha、Yajing Zhao 和 Evelyn N. Wang，2022年6月20日，Advanced Materials。
DOI: 10.1002/adma.202200899
作者：JENNIFER CHU，麻省理工学院）
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