优化的表面可在一周内 100% 防止平坦区域结霜

Josiah02

有一天，人们可能终于可以告别除霜冰箱或刮掉光滑表面上的霜冻。西北大学的工程师们开发出了一种新方法，可以在霜冻形成之前就阻止霜冻形成。
在一项新研究中，研究人员发现，调整任何表面的纹理并添加一层薄薄的氧化石墨烯，可防止表面 100% 结霜，持续时间长达一周甚至更长。这比目前最先进的防霜表面长 1,000 倍。
另外一个好处是，新的可扩展表面设计还能防止裂缝、划痕和污染。
研究人员认为，通过将纹理表面融入基础设施，公司和政府机构每年可以节省数十亿美元的维护成本和能源效率。
该研究于10月30日发表在《科学进展》杂志上。
领导这项研究的西北大学的 Kyoo-Chul Kenneth Park 说：“不必要的霜冻积累是工业、住宅和政府部门关注的一大问题。”
“例如，2021 年德克萨斯州的电力危机造成了 1950 亿美元的损失，直接原因是霜冻、结冰和超过 160 小时的极端寒冷条件。因此，开发在极端环境条件下长期稳定的防霜技术至关重要。
“还需要开发易于制造和实施的防霜方法。我们在设计混合防霜技术时考虑到了所有这些需求。它可以一次防止结霜达数周之久，并且可扩展、耐用且易于通过 3D 打印制造。”
帕克是西北大学麦考密克工程学院机械工程助理教授，也是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所和国际纳米技术研究所的附属教员。
受树叶启发的发现
这项新研究以Park 实验室先前的研究为基础。2020 年，Park 和他的团队发现，在表面添加毫米级纹理理论上可减少高达 80% 的霜冻形成。这项研究发表在《美国国家科学院院刊》上，灵感来自树叶的波纹几何形状。
“叶子凸起的部分结霜较多，”帕克当时说道，“而凹陷部分（叶脉）上的霜则少得多。几千年来，人们一直注意到这一点。令人惊讶的是，这些图案是如何形成的，却无人能解释。我们发现，控制这种现象的是几何形状，而不是材料。”
通过实验和计算模拟，Park 和他的同事发现，在波浪形表面的山峰上，凝结作用增强，而在山谷中，凝结作用减弱。山谷中少量的凝结水随后蒸发，从而形成无霜区。
氧化石墨烯的捕获能力
在之前的研究中，Park 团队开发了一种表面，其表面具有毫米级的峰谷，峰谷之间有小角度。在这项新研究中，Park 团队在平坦的谷底上添加了氧化石墨烯，使这些谷底的霜冻形成减少了 100%。
新表面由微小凸起组成，峰与峰之间的距离为 5 毫米。然后，一层厚度仅为 600 微米的薄氧化石墨烯覆盖在峰与峰之间的谷底。
帕克说：“氧化石墨烯吸引水蒸气，然后将水分子限制在其结构内。”
“因此，氧化石墨烯层就像一个容器，可以防止水蒸气结冰。当我们将氧化石墨烯与宏观纹理表面结合在一起时，它可以在高过饱和状态下长时间抵抗霜冻。混合表面成为一个稳定、持久、无霜的区域。”
与其他最先进的防霜表面相比，Park 的方法明显更胜一筹。超疏水（防水）和注有润滑剂的表面可在长达 5 小时内抵御 5-36% 的霜冻形成，而 Park 的表面可在 160 小时内抵御 100% 的霜冻形成。
Park 表示：“大多数其他防霜表面容易因划痕或污染而受损，随着时间的推移，表面性能会降低。但我们的防霜机制对划痕、裂缝和污染物表现出很强的抵抗力，延长了表面的使用寿命。”
为什么重要
这种混合宏观纹理-氧化石墨烯表面为防止各种应用中的霜冻形成提供了一种有希望的解决方案。大多数人只担心霜冻会覆盖汽车挡风玻璃或杀死室外植物。但霜冻不仅仅是一种麻烦。
飞机机翼上的霜冻会产生阻力，使飞行变得危险甚至无法飞行。当霜冻积聚在冰柜和冰箱内时，会大大降低电器的能源效率。
霜冻会给电线增加过多的负担，导致电线断裂，最终导致停电。霜冻还会损坏车辆上的传感器，削弱其准确检测物体的能力。
帕克说：“开发新的防霜技术对于防止代价高昂的机械故障、能源效率低下和关键操作的安全隐患至关重要。”
“目前还没有‘一刀切’的方法，因为每个应用都有特定的需求。例如，虽然飞机只需要几秒钟的抗冻性，但在寒冷环境中运行的电力线可能需要几天或几周的抗冻性。
“凭借我们的新见解，我们可以设计出减少冰粘附的输电线和飞机机翼。这些类型的改造将大大降低每年的维护成本。”