อาร์เรย์ของเส้นลวดนาโนทองแดงมีความเป็นเลิศในการละลายน้ำแข็งแบบพาสซีฟ – Physics World

อาร์เรย์ของเส้นลวดนาโนทองแดงมีความเป็นเลิศในการละลายน้ำแข็งแบบพาสซีฟ – Physics World

ประทับเวลา: 12 กันยายน 2023 11:45 น.

พื้นผิวละลายน้ำแข็ง
วิธีการทำงาน: ภาพคอมโพสิตแสดงภาพประกอบของกระบวนการขจัดน้ำแข็งและภาพกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของพื้นผิวเส้นลวดนาโน (เอื้อเฟื้อโดย: Siyan Yang, Qixun Li, Bingang Du, Yushan Ying, Yijun Zeng, Yuankai Jin, Xuezhi Qin, Shouwei Gao, Steven Wang, Zuankai Wang, Rongfu Wen และ Xuehu Ma)

นักวิจัยในประเทศจีนได้เปิดเผยการเคลือบแบบพาสซีฟที่มีประสิทธิภาพเกือบ 100% ในการกำจัดน้ำแข็งและน้ำค้างแข็งออกจากพื้นผิว การออกแบบของทีมประกอบด้วยเส้นลวดทองแดงนาโนที่ผสมผสานคุณสมบัติการนำความร้อนจากแสง การนำความร้อน และซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกที่ยอดเยี่ยมเข้าด้วยกัน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพการละลายน้ำแข็งที่สูงมาก

สารเคลือบได้รับการพัฒนาโดย สิหยานหยาง และเพื่อนร่วมงานที่ Dalian University of Technology, City University of Hong Kong และ The Hong Kong Polytechnic University

การสะสมตัวของน้ำแข็งบนพื้นผิวที่เย็นอาจทำให้เกิดปัญหาได้ในหลายสถานการณ์ตั้งแต่การแช่แข็งด้วยความเย็นจัดไปจนถึงปีกเครื่องบิน แม้ว่าเทคนิคต่างๆ จะได้รับการพัฒนาเพื่อกำจัดน้ำแข็งและน้ำค้างแข็ง แต่เทคนิคเหล่านี้ล้วนมีข้อบกพร่อง “โซลูชันการละลายน้ำแข็งและการละลายน้ำแข็งแบบดั้งเดิมส่วนใหญ่อาศัยวิธีการทางกล ความร้อน และเคมี ซึ่งทั้งหมดนี้ใช้พลังงานมาก ใช้แรงงานมาก หรือไม่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม” Yang อธิบาย “นอกจากนี้ วิธีการเชิงรุกบางส่วนเหล่านี้จำเป็นต้องสัมผัสโดยตรงกับพื้นผิวของวัสดุ ซึ่งก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อการเคลือบที่ละเอียดอ่อน”

แนวทางแบบพาสซีฟ

เมื่อเร็วๆ นี้ เทคโนโลยีการกำจัดน้ำแข็งและการละลายน้ำแข็งได้เห็นการเปลี่ยนแปลงไปสู่แนวทางแบบพาสซีฟ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการปรับเปลี่ยนพื้นผิวของวัสดุเพื่อป้องกันไม่ให้น้ำแข็งก่อตัวและก่อตัวขึ้น ซึ่งมักเกี่ยวข้องกับการออกแบบพื้นผิวที่ลื่น ไม่ชอบน้ำ หรือแม้แต่พื้นผิวที่เปลี่ยนเฟส สิ่งเหล่านี้สามารถลดแรงที่จำเป็นในการขจัดน้ำแข็งและน้ำค้างแข็งออกทางกายภาพ หรือป้องกันไม่ให้หยดน้ำเกาะติดและกลายเป็นน้ำแข็งตั้งแต่แรก

ความก้าวหน้าที่น่าหวังอย่างหนึ่งคือการพัฒนาสารเคลือบความร้อนจากแสงอาทิตย์ที่เปลี่ยนแสงแดดให้เป็นความร้อน จึงสามารถละลายน้ำแข็งและน้ำค้างแข็งได้ แม้จะอยู่ในสภาวะเยือกแข็งก็ตาม อย่างไรก็ตาม เทคโนโลยีนี้ถูกจำกัดด้วยการนำความร้อนที่จำกัดของสารเคลือบที่มีอยู่ ซึ่งส่งผลให้เกิดความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอ และปฏิกิริยาที่รุนแรงระหว่างพื้นผิวกับหยดน้ำ ส่งผลให้อัตราการละลายน้ำละลายไม่สม่ำเสมอ โดยทั้งสองอย่างนี้จำกัดประสิทธิภาพการละลายน้ำแข็ง

ตอนนี้ Yang และเพื่อนร่วมงานได้ออกแบบพื้นผิวรูปแบบใหม่เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ พื้นผิวมีลักษณะเป็นเส้นลวดทองแดงนาโนหลายเส้นที่ประกอบขึ้นโดยใช้วิธีการอิเล็กโทรดแบบง่ายๆ ทีมงานกล่าวว่าการออกแบบของพวกเขาผสมผสานคุณสมบัติความร้อนจากความร้อน การนำความร้อน และซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกที่ยอดเยี่ยมไว้ในวัสดุชิ้นเดียว

ตั้งตรงและไม่ชอบน้ำ

รูปแบบลวดนาโนที่ได้รับการจัดลำดับสูงสามารถดูดซับแสงแดดได้ดีมาก และค่าการนำความร้อนสูงของทองแดงช่วยให้ความร้อนที่กักเก็บกระจายได้อย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอทั่วทั้งอาร์เรย์ ในบรรดารูปแบบของเส้นลวดนาโนที่ทีมงานสร้างขึ้นนั้น คือการจัดเรียงเส้นลวดนาโนตั้งตรง ซึ่งคั่นด้วยร่องไมโครขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 2-3 ไมครอน โครงสร้างนี้ทำให้พื้นผิวไม่ชอบน้ำเป็นพิเศษ: ช่วยให้น้ำที่ละลายไหลออกมาได้อย่างสม่ำเสมอ

“จากการทดสอบความสามารถในการเปียกน้ำและความร้อนจากแสง เราพบว่าส่วนประกอบลวดนาโนส่วนใหญ่สามารถดำเนินการแบบซุปเปอร์ไฮโดรโฟบิกได้ โดยมีอัตราการดูดซับแสงแดดมากกว่า 95%” สมาชิกในทีม Qixun Li อธิบาย “เนื่องจากวัสดุทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าสูง การประกอบลวดนาโนจึงทำให้ประสิทธิภาพในการละลายน้ำแข็งและการละลายน้ำแข็งเป็นเลิศ”

ผลลัพธ์ก็คือน้ำแข็งและน้ำค้างแข็งเกือบ 100% ถูกกำจัดออกจากพื้นผิว ซึ่งทีมงานกล่าวว่าเป็นประสิทธิภาพการละลายน้ำแข็งที่สูงที่สุดเท่าที่เคยมีมาบนพื้นผิวที่อยู่นิ่ง

ขณะนี้การออกแบบของทีมยังไม่เหมาะกับการใช้งานจริง อาร์เรย์ลวดนาโนมีความทนทานจำกัด เสี่ยงต่อความเสียหายทางเคมี และยังเป็นเรื่องยากและมีราคาแพงในการผลิตในขนาดที่ใหญ่ขึ้น อย่างไรก็ตาม นักวิจัยหวังว่าด้วยการสร้างผลลัพธ์ขึ้นมา การวิจัยเพิ่มเติมอาจนำไปสู่วัสดุที่มีประสิทธิภาพการละลายน้ำแข็งใกล้เคียงกันในเร็วๆ นี้ และเข้าใกล้การเปิดตัวเชิงพาณิชย์อีกขั้นหนึ่ง

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน วารสารระหว่างประเทศของการผลิตขั้นสูง.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์