En rad kopparnanotrådar utmärker sig vid passiv avisning – Physics World

En rad kopparnanotrådar utmärker sig vid passiv avisning – Physics World

Tidsstämpel: 12 september, 2023 11:45

Avisningsyta
Hur det fungerar: sammansatt bild som visar illustrationer av avisningsprocessen och elektronmikroskopbilder av nanotrådens yta. (Med tillstånd: Siyan Yang, Qixun Li, Bingang Du, Yushan Ying, Yijun Zeng, Yuankai Jin, Xuezhi Qin, Shouwei Gao, Steven Wang, Zuankai Wang, Rongfu Wen och Xuehu Ma)

En passiv beläggning som är nästan 100 % effektiv för att ta bort is och frost från ytor har avslöjats av forskare i Kina. Teamets design har en rad koppar nanotrådar som kombinerar utmärkta fototermiska, värmeledande och superhydrofoba egenskaper för att uppnå en mycket hög avfrostningseffektivitet.

Beläggningen utvecklades av Siyan Yang och kollegor vid Dalian University of Technology, City University of Hong Kong och The Hong Kong Polytechnic University.

Uppbyggnaden av is på kalla ytor kan ställa till problem i ett brett spektrum av situationer från kryogen frysning till flygplansvingar. Även om en mängd olika tekniker har utvecklats för att ta bort is och frost, har de alla brister. "Traditionella lösningar för avisning och avfrostning bygger huvudsakligen på mekaniska, termiska och kemiska metoder, som alla är antingen energikrävande, arbetsintensiva eller miljöovänliga," förklarar Yang. "Dessutom krävde några av dessa aktiva tillvägagångssätt direkt kontakt med materialytan, vilket medförde risker för ömtåliga beläggningar."

Passiva förhållningssätt

På senare tid har teknologin för avisning och avfrostning sett en förändring mot passiva tillvägagångssätt, som innebär att materialytor modifieras för att förhindra is från att bildas och byggas upp. Det handlar ofta om att designa hala, hydrofoba eller till och med fasföränderliga ytor. Dessa kan minska kraften som krävs för att fysiskt ta bort is och frost, eller förhindra att vattendroppar fäster och fryser i första hand.

Ett särskilt lovande framsteg har varit utvecklingen av fototermiska beläggningar som omvandlar solljus till värme – och därigenom smälter is och frost, även under frysförhållanden. Denna teknik har dock hållits tillbaka av den begränsade värmeledningsförmågan hos befintliga beläggningar. Detta resulterar i ojämn uppvärmning och stark växelverkan mellan ytor och vattendroppar som leder till ojämn hastighet för borttagning av smältvatten – med båda begränsande avfrostningsprestanda.

Nu har Yang och kollegor designat en ny typ av yta som tar itu med dessa utmaningar. Ytan har en rad kopparnanotrådar som är sammansatta med en enkel elektrodoppsättningsmetod. Enligt teamet kombinerar deras design utmärkta fototermiska, värmeledande och superhydrofoba egenskaper i ett enda material.

Upprätt och hydrofob

Det välordnade mönstret av nanotrådar är mycket bra på att absorbera solljus – och kopparns höga värmeledningsförmåga gör att den fångade värmen sprids snabbt och jämnt över hela arrayen. Bland de nanotrådsmönster som teamet skapade var ett arrangemang av upprättstående nanotrådar, åtskilda av mikrospår med en diameter på cirka 2–3 mikron. Denna struktur gjorde ytan extremt hydrofob: så att smältvattnet kunde rinna av jämnt.

"Genom vätbarhet och fototermiska tester fann vi att de flesta nanotrådsenheter kan behandlas som superhydrofoba, med en absorptionshastighet för solljus som är större än 95 %", förklarar teammedlemmen Qixun Li. "På grund av kopparmaterialens höga ledningsförmåga möjliggör nanotrådsenheter utmärkta avisnings- och avfrostningsprestanda."

Resultatet är att nära 100 % av is och frost avlägsnas från ytan, vilket teamet säger är den högsta avfrostningseffektiviteten som någonsin uppnåtts på en passiv yta.

För närvarande är lagets design inte lämplig för praktisk användning. Deras nanotrådsuppsättningar har en begränsad hållbarhet, är känsliga för kemiska skador och förblir svåra och dyra att producera i större skala. Forskarna hoppas dock att ytterligare forskning, genom att bygga på sina resultat, snart kan leda till att material med liknande avfrostningsprestanda ett steg närmare en kommersiell utrullning.

Forskningen beskrivs i International Journal of Extreme Manufacturing.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden