达拉斯德克萨斯大学戴贤明教授团队 AFM：双亲类液体表面突破仿甲虫表面的冷凝极限

2023-01-12 来源：高分子科技

受自然界的启发，沙漠甲虫因通过亲/疏水组合图案实现高效集水而得到广泛研究，在水和能源的可持续性发展上取得重要进展。但现有的亲/疏水组合由于过大的钉扎力，在空气中冷凝时效果较好，但空气中冷凝的热通量非常低，只有1-2 kW/m²。当现有的仿甲虫表面在蒸汽中冷凝时，其效果却不如普通疏水表面。这是因为蒸汽冷凝中热通量可以达到2001-2 kW/m²，这是空气冷凝中的近100倍。其原因是在空气冷凝中会有不凝气体大大阻碍冷凝传热的速率，而在蒸汽冷凝中由于液滴产生速度非常快，会导致整个表面被冷凝水覆盖形成膜状凝结。这是因为现有仿甲虫表面上的亲水区域对液滴有很强的钉扎力，导致冷凝形成的液滴不能马上被收集，从而在表面产生泛滥。因此，一个有效的超滑亲/疏水组合需要亲水和疏水区域都超滑，这样才能同时在空气和蒸汽冷凝中都取得很高的能源效率和快速水收集，才能对可持续的高效冷凝传热有进一步突破。

近日，达拉斯德克萨斯大学戴贤明教授团队基于聚乙二醇化和硅氧烷聚合物的类液体表面（QLS）设计了一种亲/疏水组合条纹，对比于原有的亲/疏水表面，集水效率和冷凝效率分别提升了60%和170% （图1）。该工作以“Pushing the Limit of Beetle-Inspired Condensation on Biphilic Quasi-Liquid Surfaces”为题发表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2023, 2211113）。硅氧烷键的柔韧性以及低表面粗糙度实现了超低接触角滞后的疏水 QLS 。聚乙二醇化表面实现了超低接触角滞后的亲水QL S（图2）。通过利用这些具有滑移特性的最先进表面，作者成功地制造了亲/疏水组合条纹的超滑表面，可最大程度的减小钉扎力并提供卓越的冷凝性能。同时，该表面能提高集水效率的机理也进一步被研究（图3）。在组合条纹 QLS 上，液滴通过聚结迅速生长并固定在每个亲水性 QLS 条纹上。一旦它们长大，它们就会从亲水性 QLS 条纹扩展到疏水性 QLS 区域。亲水性条纹有利于液滴跨越多个条纹并桥接在一起，从而快速获得足够的体积以进行重力诱导的脱落。同时，亲疏水条纹之间的接触角滞后梯度对该表面也很重要。若梯度过大或者表面过于滑，液滴会直接在亲水表面滑落而不会跨越条纹。而若亲水表面不够滑，膜状冷凝会覆盖亲水表面从而降低蒸汽冷凝传热。

图1. 仿甲虫类液体表面突破空气冷凝集水率和蒸汽冷凝传热系数的极限。

图2. a) 硅烷 b) 疏水 QLS 和 c) 亲水 QLS 上的化学成分、水接触角 (CA) 的测角仪图像和接触角滞后 (CAH)。

图3. 条纹QLS的冷凝传热增强机理。

综上，在空气和蒸汽冷凝中，具有超滑亲/疏水组合的 QLS 优于现有的仿甲虫组合。双亲QLS条纹上的快速横向液滴合并和沿着光滑的亲水条纹滑动的机理使得冷凝效率大大提升。工作表明，接触角和接触角滞后梯度对于设计亲/疏水组合冷凝表面都至关重要。这项工作展示了如何设计仿生高效亲/疏水冷凝表面，并且可以在高低热通量下达到突破现有仿甲虫表面的极限，并在蒸汽和空气中实现高效冷凝。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202211113

研究团队简介：

戴贤明现为达拉斯德克萨斯大学助理教授，其团队主要研究相变传热，微流体，表面科学，余热发电和水收集。曾获得美国自然科学基金委，陆军研究办公室，微流界面会议和工程学院等诸多杰出青年奖。其团队长期招收相关方向研究生，有关其团队具体信息见其网站：https://labs.utdallas.edu/dai

版权与免责声明：中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：info@polymer.cn，并请注明出处。

（责任编辑：xu）

【大中小】【打印】【关闭】

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯

更多>>科教新闻