Een MIT-onderzoeksteam dat het probleem om ketchup uit de fles te krijgen al heeft overwonnen, heeft nu een nieuwe categorie consumenten- en productieproblemen aangepakt:hoe je veel dikkere materialen kunt laten glijden zonder te plakken of te vervormen.

De gladde coatings die het team heeft ontwikkeld, vloeistofgeïmpregneerde oppervlakken genoemd, kan tal van voordelen hebben, inclusief het elimineren van productieafval dat het gevolg is van materiaal dat aan de binnenkant van verwerkingsapparatuur blijft kleven. Ze kunnen ook de kwaliteit van producten verbeteren, variërend van brood tot farmaceutische producten, en zelfs de efficiëntie van stroombatterijen verbeteren, een zich snel ontwikkelende technologie die zou kunnen bijdragen aan het stimuleren van hernieuwbare energie door goedkope opslag van opgewekte elektriciteit te bieden.

Deze oppervlakken zijn gebaseerd op principes die oorspronkelijk zijn ontwikkeld om voedsel, cosmetica, en andere stroperige vloeistoffen glijden uit hun containers, zoals bedacht door Kripa Varanasi, een professor in de werktuigbouwkunde aan het MIT, samen met oud-studenten Leonid Rapoport Ph.D. '18 en Brian Solomon Ph.D. '16. Het nieuwe werk wordt beschreven in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces .

Net als de eerdere oppervlakken die ze ontwikkelden, wat leidde tot de oprichting van een spin-off bedrijf genaamd LiquiGlide, de nieuwe oppervlakken zijn gebaseerd op een combinatie van een speciaal gestructureerd oppervlak en een vloeibaar smeermiddel dat het oppervlak bedekt en op zijn plaats blijft door capillaire werking en andere intermoleculaire krachten die met dergelijke grensvlakken gepaard gaan. Het nieuwe artikel legt de fundamentele ontwerpprincipes uit waarmee een wrijvingsvermindering van bijna 100 procent voor deze gelachtige vloeistoffen kan worden bereikt.

Een kneepje nodig

dergelijke materialen, bekend als vloeispanningsvloeistoffen, inclusief gels en pasta's, zijn alomtegenwoordig. Ze zijn te vinden in consumentenproducten zoals voedsel, specerijen, en cosmetica, en in producten in de energie- en farmaceutische industrie. In tegenstelling tot andere vloeistoffen zoals water en olie, deze materialen zullen niet vanzelf gaan stromen, zelfs wanneer hun container ondersteboven wordt gedraaid. Het starten van de stroom vereist een invoer van energie, zoals knijpen in de container.

Maar dat knijpen heeft zijn eigen effecten. Bijvoorbeeld, machines voor het maken van brood bevatten meestal schrapers die het kleverige deeg constant van de zijkanten van de container duwen, maar dat constant schrapen kan leiden tot overkneden en een dichter brood. Een gladde container die niet hoeft te worden geschraapt, kan dus beter smakend brood opleveren, zegt Varanasi. Door dit systeem te gebruiken, "buiten alles uit de container halen, u voegt nu een hogere kwaliteit" toe aan het resulterende product.

Dat is misschien niet zo kritisch als het om brood gaat, maar het kan grote gevolgen hebben voor geneesmiddelen, hij zegt. Het gebruik van mechanische schrapers om medicijnmaterialen door mengtanks en leidingen te stuwen, kan de effectiviteit van het medicijn verstoren, omdat de betrokken schuifkrachten de eiwitten en andere actieve verbindingen in het medicijn kunnen beschadigen.

Door gebruik te maken van de nieuwe coatings, in sommige gevallen is het mogelijk om de weerstand die het materiaal ervaart met 100 procent te verminderen - gelijk aan "oneindige slip, ' zegt Varanasi.

"Over het algemeen zijn oppervlakken enablers, " zegt Rapoport. "Superhydrofobe oppervlakken, bijvoorbeeld, laat het water gemakkelijk rollen, maar niet alle vloeistoffen kunnen rollen. Onze oppervlakken zorgen ervoor dat vloeistoffen kunnen bewegen op de manier die voor hen de voorkeur heeft, of het nu rollend of glijdend is. Bovendien ontdekten we dat vloeispanningsvloeistoffen op onze oppervlakken kunnen bewegen zonder te schuiven, in wezen glijden als vaste lichamen. Dit is erg belangrijk als je de integriteit van deze materialen wilt behouden wanneer ze worden verwerkt."

Net als de eerdere versie van gladde oppervlakken die Varanasi en zijn medewerkers creëerden, het nieuwe proces begint met het maken van een oppervlak dat op nanoschaal getextureerd is, ofwel door een reeks dicht bij elkaar gelegen pilaren of muren op het oppervlak te etsen, of mechanisch slijpen van groeven of putten. De resulterende textuur is ontworpen om zulke kleine kenmerken te hebben dat capillaire werking - hetzelfde proces waarmee bomen water naar hun hoogste takken kunnen trekken door kleine openingen onder de schors - kan werken om een ​​vloeistof vast te houden, zoals smeerolie, op zijn plaats aan het oppervlak. Als resultaat, elk materiaal in een container met dit soort voering komt in wezen alleen in contact met de smeervloeistof, en glijdt er meteen af ​​in plaats van aan de stevige containerwand te plakken.

Het nieuwe werk dat in dit artikel wordt beschreven, beschrijft de principes die de onderzoekers bedachten om de optimale selectie van oppervlaktetextuur mogelijk te maken, smerend materiaal, en fabricageproces voor elke specifieke toepassing met zijn specifieke combinatie van materialen.

Batterijen helpen stromen

Een andere belangrijke toepassing voor de nieuwe coatings is in een zich snel ontwikkelende technologie genaamd flow-batterijen. Bij deze batterijen vaste elektroden worden vervangen door een suspensie van kleine deeltjes die in vloeistof zijn gesuspendeerd, wat het voordeel heeft dat de capaciteit van de batterij op elk moment kan worden vergroot door simpelweg grotere tanks toe te voegen. Maar de efficiëntie van dergelijke batterijen kan worden beperkt door de stroomsnelheden.

Het gebruik van de nieuwe gladde coatings zou de algehele efficiëntie van dergelijke batterijen aanzienlijk kunnen verhogen, en Varanasi werkte samen met MIT-professoren Gareth McKinley en Yet-Ming Chiang aan de ontwikkeling van een dergelijk systeem onder leiding van Solomon en Xinwei Chen, een voormalig postdoc in het lab van Chiang.

Deze coatings kunnen een oplossing bieden voor een raadsel waarmee ontwerpers van flowbatterijen te maken hebben gehad, omdat ze koolstof aan het slurrymateriaal moesten toevoegen om de elektrische geleidbaarheid te verbeteren, maar de koolstof maakte de slurry ook veel dikker en belemmerde de beweging ervan, wat leidt tot "een stroombatterij die niet kon stromen, ' zegt Varanasi.

"Vroeger hadden flow-batterijen een wisselwerking in die zin dat naarmate je meer koolstofdeeltjes toevoegt, de slurry meer geleidend wordt, maar het wordt ook dikker en veel uitdagender om te stromen, "zegt Solomon. "Door gladde oppervlakken te gebruiken, hebben we het beste van twee werelden door de stroming van dikke, opbrengst-stress slurries."

Het verbeterde systeem maakte het gebruik van een stroomelektrodeformulering mogelijk die resulteerde in een viervoudige toename van de capaciteit en een besparing van 86 procent in mechanisch vermogen, vergeleken met het gebruik van traditionele oppervlakken. Deze resultaten werden onlangs beschreven in het tijdschrift ACS toegepaste energiematerialen .

"Afgezien van het fabriceren van een stroombatterijapparaat dat de gladde oppervlakken bevat, we hebben ook ontwerpcriteria opgesteld voor hun elektrochemische, chemisch, en thermodynamische stabiliteit, ", legt Solomon uit. "Technische oppervlakken voor een flow-batterij openen een geheel nieuwe tak van toepassingen die kunnen helpen voldoen aan de toekomstige vraag naar energieopslag."