غالبًا ما يتم غلي الماء ، سواء كان ذلك فنجانًا من الشاي في المطبخ أو محطة توليد الكهرباء. أي تحسين في كفاءة هذه العملية سيكون له تأثير كبير على الكمية الإجمالية للطاقة المستخدمة كل يوم.
يمكن أن يأتي أحد هذه التحسينات من معالجة مطورة حديثًا للأسطح المتضمنة في تسخين المياه وتبخرها. تحسن المعالجة معلمتين رئيسيتين تحددان عملية الغليان: معامل انتقال الحرارة (HTC) وتدفق الحرارة الحرج (CHF).
في معظم الأوقات ، تكون هناك مقايضة بين الاثنين – حيث يتحسن أحدهما ، ويزداد الآخر سوءًا. بعد سنوات من التحقيق ، وجد مصطلح البحث وراء هذه التقنية طريقة لتحسين كليهما.
“كلا المقياسين مهمان ، لكن تحسين كلا المقياسين معًا أمر صعب بعض الشيء لأن لهما مقايضة متأصلة” ، يقول عالم المعلوماتية الحيوية يونجساب سونج من مختبر لورانس بيركلي الوطني في كاليفورنيا.
“إذا كان لدينا الكثير من الفقاعات على سطح الغليان ، فهذا يعني أن الغليان فعال للغاية ، ولكن إذا كان لدينا الكثير من الفقاعات على السطح ، فقد تتجمع ، مما قد يشكل طبقة بخار على السطح. الغليان.”
يقدم أي فيلم بخار بين السطح الساخن والماء مقاومة ، مما يقلل من كفاءة نقل الحرارة وقيمة CHF. للتغلب على المشكلة ، تخيل الباحثون ثلاثة أنواع مختلفة من تعديل السطح.
أولاً ، يتم إضافة سلسلة من الأنابيب الدقيقة. هذه المجموعة المكونة من 10 ميكرومتر من الأنابيب ، متباعدة بحوالي 2 ملم ، تتحكم في تكوين الفقاعات وتحافظ على الفقاعات مثبتة في التجاويف. هذا يمنع تشكيل فيلم بخار.
في الوقت نفسه ، يقلل من تركيز الفقاعات على السطح ، وبالتالي يقلل من كفاءة الغليان. لحل هذه المشكلة ، قدم الباحثون المعالجة على نطاق أصغر كتعديل ثانٍ ، بإضافة نتوءات وحواف من بضعة نانومترات إلى سطح الأنابيب المجوفة. هذا يزيد من مساحة السطح المتاحة ويعزز معدلات التبخر.
أخيرًا ، تم وضع التجاويف الدقيقة في وسط سلسلة من الأعمدة على سطح المادة. تعمل هذه الركائز على تسريع عملية سحب السائل عن طريق إضافة المزيد من مساحة السطح. مجتمعة ، تزداد كفاءة الغليان بشكل كبير.
أعلاه: فيديو بطيء الحركة لتركيب الباحثين يُظهر الماء المغلي على سطح مُعالج بشكل خاص مما يتسبب في تكوين فقاعات في نقاط محددة مميزة.
نظرًا لأن البنى النانوية تعزز أيضًا التبخر تحت الفقاعات وتحافظ الأعمدة على إمداد ثابت من السائل إلى قاعدة الفقاعات هذه ، يمكن الحفاظ على طبقة من الماء بين سطح الغليان والفقاعات ، مما يحسن التدفق أقصى درجة حرارة.
“إن إظهار قدرتنا على التحكم في السطح بهذه الطريقة لتحقيق التحسين هو الخطوة الأولى ،” يقول المهندس الميكانيكي إيفلين وانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “ثم الخطوة التالية هي التفكير في مناهج أكثر قابلية للتوسع.”
“لا يُقصد بهذه الأنواع من الهياكل التي نصنعها أن يتم تحجيمها في شكلها الحالي.”
لن يكون تحويل العمل المخبري الصغير إلى شيء يمكن استخدامه في الصناعات التجارية بهذه البساطة ، لكن الباحثين واثقون من أنه يمكن القيام به.
سيكون التحدي هو إيجاد طرق لإنشاء نسيج السطح و “مستويات” التعديلات الثلاثة. الخبر السار هو أن هناك طرقًا مختلفة يمكن استكشافها ، ويجب أن يعمل الإجراء أيضًا مع أنواع مختلفة من السوائل.
“يمكن تغيير هذه الأنواع من التفاصيل ، ويمكن أن تكون هذه خطوتنا التالية ،” تقول الاغنية.
تم نشر البحث في مواد متطورة.
