Site Sponsors
  • Park Systems - Manufacturer of a complete range of AFM solutions
  • Oxford Instruments Nanoanalysis - X-Max Large Area Analytical EDS SDD
  • Strem Chemicals - Nanomaterials for R&D
Posted in | Nanoanalysis

Nye funn viser at Nano-Overflatebehandling av overflater kan hindre isdannelse

Published on January 24, 2011 at 6:01 AM

Folk som bor i eldre bygninger ofte høre bankende lyder i sin rørlegger eller radiator rør - det er en velkjent effekt kalt vann hammer, som kan oppstå når en ventil er plutselig åpnes eller lukkes i et rør bære vann eller damp, forårsaker en trykkbølge å reise ned i røret med nok kraft at det kan noen ganger føre til at rørene til å briste.

Nå viser ny forskning at en lignende effekt tar plass på en liten skala når en dråpe med vann treffer en overflate.

Denne fargen forbedret bildet viser en dråpe vann blir deponert på en superhydrophobic overflate, like før det løsner fra dropper brukt for å deponere det.

MITs Kripa Varanasi, medforfatter av en rapport om nye funn publisert denne uken i tidsskriftet Physical Review Letters, sier fenomenet kunne hjelpe ingeniører designe mer holdbar kondenserende overflater, som brukes i avsaltingsanlegg og steam-baserte kraftverk. Andre co-forfattere inkluderer MIT mekanisk-engineering hovedfagsstudenter Hyuk-Min Kwon og Adam Paxson, og førsteamanuensis Neelesh Patankar av Northwestern University.

Varanasi, den d'Arbeloff Assistant Professor of Mechanical Engineering, sier effekten forklarer hvorfor bladene brukes i power-anlegget turbinene har en tendens til å degradere så fort og må skiftes ofte, og kan føre til utforming av mer holdbare turbiner. Siden omtrent halvparten av all elektrisitet generert i verden kommer fra dampturbiner - enten oppvarmet av kull, kjernefysisk brensel, gass eller petroleum - forbedre sin levetid og effektivitet kan redusere nedetid og øke den totale utgang for disse plantene, og dermed bidra dempe verdens utslipp av klimagasser.

Det har vært stor interesse i utviklingen av superhydrophobic (vannavstøtende) overflater, sier Varanasi, som i noen tilfeller ligne strukturerte overflater som finnes i naturen, slik som lotus blader og huden av gekkoer. Men de fleste forskningen så langt på hvordan slike flater oppfører har vært statiske tester: Hvis du vil se hvordan dråper i forskjellige størrelser spredt ut på slike overflater (kalt wetting) eller hvordan de perle opp til større dråper, er den typiske metoden for å legge til eller trekke vannet langsomt i en stasjonær dråpe. Men dette er ikke en realistisk simulering av hvordan dråper reagerer på flater, sier Varanasi.

"I noen reell søknad, ting er dynamiske," sier han. Og Varanasi forskning viser dynamikken av å flytte dråper treffer en overflate er ganske forskjellig fra dråper som dannes på plass.

Spesielt slike dråper gjennomgår en rask intern nedbremsing som produserer sterkt press - et småskala versjon av vann-hammer effekt. Det er denne lille, men intense utbrudd av trykk som står for pitting og erosjon funnet på power-anlegget turbinbladene, sier han, som begrenser deres brukstid.

"Dette er en av de største uløste problemene" i power-design av anlegget, sier han. I tillegg til å skade kniver, safter dannelse og vekst av vanndråper blandet med strømmen av damp mye av kraften, og står for opptil 30 prosent av systemet tap i slike anlegg. Siden noen steam-baserte kraftverk, som for eksempel naturgass kombinert-syklus planter, kan allerede ha virkningsgrader på opp til 85 prosent i konvertering av drivstoffets energi til elektrisitet, dersom disse dråpe tapene kan elimineres det kunne gi nesten 5 prosent boost i kraft.

"Dette er et nytt funn, ja," sier David Quéré, direktør for forskning ved laboratoriet for fysikk og mekanikk av heterogene materialer på ESPCI, Paris. Han forklarer at "superhydrophobic materialer, hvor vann kan gli og rulle på en unik måte, har interessante egenskaper, blir gitt vann på toppen av dekorasjoner vi finner på dem. (Jeg liker å kalle at FAKIR effekten, siden vannet da sitter på toppen av en seng av mikro-negler.) "

Denne forskningen, Quéré sier, forklarer hvorfor dråper ofte ikke klarer å holde seg på toppen og i stedet bli spiddet på "spiker", og så de nye funnene er "interessant i sammenheng med superhydrophobic materialer, fordi det bidrar til å designe materialer i stand til å motstå dette slags negativ effekt. "

Småskala teksturering av overflater kan hindre at dråpene fra wetting overflate turbinbladene eller andre enheter, men avstanden og størrelser av overflaten mønstre må undersøkes dynamisk, ved hjelp av teknikker som de utviklet av Varanasi og hans medforfattere, sier han. Regelmessig linjeavstand støt eller søyler på overflaten kan produsere en vann-Shedding effekt, men bare hvis størrelsen og avstanden mellom disse funksjonene er akkurat. Denne forskningen viste at det synes å være en kritisk skala fra teksturering som er effektiv, mens størrelser enten større eller mindre enn det klarer å produsere den vannavstøtende effekten. Analysen er utviklet av dette teamet bør gjøre det mulig å bestemme den mest effektive størrelser og former av mønstre for å produsere superhydrophic overflater på turbinbladene og andre enheter.

Arbeidet er relatert til Varanasi forskning på hvordan å hindre isdannelse på flyet vingene, også bruke nano-teksturering av overflater, men de potensielle anvendelser av denne siste forskningen er mye bredere. I tillegg til kraft-anlegget turbiner, kan dette også påvirke utformingen av kondensatorer i avsaltingsanlegg, og selv utformingen av blekkskrivere, der driften er basert på deponering dråper av blekk på en overflate.

Dette arbeidet ble finansiert av MIT Energy Initiative, National Science Foundation, Dupont-MIT Alliance, og Initiativ for Sustainability-og energidepartementet ved Northwestern. MITs Edgerton senteret også gitt høy hastighet videoutstyr.

Kilde: http://web.mit.edu/

Last Update: 5. October 2011 19:39

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this news story?

Leave your feedback
Submit