Een reeks koperen nanodraden blinkt uit in passief ontdooien – Physics World

Een reeks koperen nanodraden blinkt uit in passief ontdooien – Physics World

Tijdstempel: 12 september 2023 11:45 uur

Ontdooioppervlak
Hoe het werkt: samengesteld beeld met illustraties van het ontdooiproces en elektronenmicroscoopbeelden van het nanodraadoppervlak. (Met dank aan: Siyan Yang, Qixun Li, Bingang Du, Yushan Ying, Yijun Zeng, Yuankai Jin, Xuezhi Qin, Shouwei Gao, Steven Wang, Zuankai Wang, Rongfu Wen en Xuehu Ma)

Onderzoekers in China hebben een passieve coating onthuld die bijna 100% effectief is in het verwijderen van ijs en rijp van oppervlakken. Het ontwerp van het team bestaat uit een reeks koperen nanodraden die uitstekende fotothermische, warmtegeleidende en superhydrofobe eigenschappen combineren om een ​​zeer hoge ontdooi-efficiëntie te bereiken.

De coating is ontwikkeld door Siyan Yang en collega's van de Dalian University of Technology, City University of Hong Kong en de Hong Kong Polytechnic University.

De opbouw van ijs op koude oppervlakken kan problemen opleveren in een groot aantal situaties, van cryogene bevriezing tot vliegtuigvleugels. Hoewel er een verscheidenheid aan technieken is ontwikkeld om ijs en rijp te verwijderen, hebben ze allemaal tekortkomingen. “Traditionele oplossingen voor ontdooien en ontdooien zijn voornamelijk afhankelijk van mechanische, thermische en chemische benaderingen, die allemaal energie-intensief, arbeidsintensief of milieuonvriendelijk zijn”, legt Yang uit. “Bovendien vereisten sommige van deze actieve benaderingen direct contact met het materiaaloppervlak, wat risico’s met zich meebracht voor delicate coatings.”

Passieve benaderingen

Meer recentelijk heeft de ontdooi- en ontdooitechnologie een verschuiving gezien naar passieve benaderingen, waarbij materiaaloppervlakken worden aangepast om te voorkomen dat zich ijs vormt en zich ophoopt. Vaak gaat het hierbij om het ontwerpen van gladde, hydrofobe of zelfs faseveranderende oppervlakken. Deze kunnen de kracht verminderen die nodig is om ijs en rijp fysiek te verwijderen, of voorkomen dat waterdruppels zich hechten en bevriezen.

Een bijzonder veelbelovende vooruitgang is de ontwikkeling van fotothermische coatings die zonlicht in warmte omzetten, waardoor ijs en vorst smelten, zelfs als het vriest. Deze technologie wordt echter belemmerd door de beperkte thermische geleidbaarheid van bestaande coatings. Dit resulteert in ongelijkmatige verwarming en sterke interacties tussen oppervlakken en waterdruppels, wat leidt tot ongelijkmatige verwijdering van smeltwater – waarbij beide de ontdooiprestaties beperken.

Nu hebben Yang en collega's een nieuw type oppervlak ontworpen dat deze uitdagingen aanpakt. Het oppervlak is voorzien van een reeks koperen nanodraden die zijn geassembleerd met behulp van een eenvoudige elektrodepositiemethode. Volgens het team combineert hun ontwerp uitstekende fotothermische, warmtegeleidende en superhydrofobe eigenschappen in één enkel materiaal.

Rechtop en hydrofoob

Het zeer geordende patroon van nanodraden is zeer goed in het absorberen van zonlicht – en de hoge thermische geleidbaarheid van koper zorgt ervoor dat de opgevangen warmte zich snel en gelijkmatig over de hele array verspreidt. Onder de nanodraadpatronen die het team creëerde, bevond zich een opstelling van rechtopstaande nanodraden, gescheiden door microgroeven van ongeveer 2 à 3 micron breed. Door deze structuur is het oppervlak extreem hydrofoob geworden, waardoor het smeltwater gelijkmatig kan wegvloeien.

“Door bevochtigbaarheids- en fotothermische tests hebben we ontdekt dat de meeste nanodraden als superhydrofoob kunnen worden behandeld, met een zonlichtabsorptiepercentage van meer dan 95%”, legt teamlid Qixun Li uit. “Vanwege de hoge geleidbaarheid van kopermaterialen maken nanodraadconstructies uitstekende ontdooi- en ontdooiprestaties mogelijk.”

Het resultaat is dat bijna 100% van het ijs en rijp van het oppervlak wordt verwijderd, wat volgens het team de hoogste ontdooi-efficiëntie is die ooit op een passief oppervlak is bereikt.

Voorlopig is het ontwerp van het team niet geschikt voor praktisch gebruik. Hun nanodraadarrays hebben een beperkte duurzaamheid, zijn kwetsbaar voor chemische schade en blijven moeilijk en duur om op grotere schaal te produceren. De onderzoekers hopen echter dat verder onderzoek, door voort te bouwen op hun resultaten, er snel toe kan leiden dat materialen met vergelijkbare ontdooiprestaties een stap dichter bij commerciële uitrol komen.

Het onderzoek staat beschreven in de Internationaal tijdschrift voor extreme productie.

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld