Wanneer bevriezingsdruppels een oppervlak raken, ze houden zich er meestal aan of stuiteren weg. Het beheersen van deze reactie is cruciaal voor veel toepassingen, inclusief 3D-printen, het spuiten van sommige oppervlaktecoatings, en het voorkomen van ijsvorming op constructies zoals vliegtuigvleugels, windturbines, of elektriciteitsleidingen.

Nutsvoorzieningen, MIT-onderzoekers hebben een verrassende nieuwe draai gevonden in de mechanica die betrokken is wanneer druppeltjes in contact komen met oppervlakken. Hoewel het meeste onderzoek zich heeft gericht op de hydrofobe eigenschappen van dergelijke oppervlakken, het blijkt dat hun thermische eigenschappen ook van cruciaal belang zijn - en een onverwachte mogelijkheid bieden om die oppervlakken "af te stemmen" om aan de exacte behoeften van een bepaalde toepassing te voldoen. De nieuwe resultaten worden vandaag gepresenteerd in het tijdschrift Natuurfysica , in een rapport van MIT universitair hoofddocent werktuigbouwkunde Kripa Varanasi, voormalig postdoc Jolet de Ruiter, en postdoc Dan Soto.

"We hebben iets heel interessants gevonden, " legt Varanasi uit. Zijn team bestudeerde de eigenschappen van een vloeistof - in dit geval druppels gesmolten metaal bevriezen op een oppervlak. "We hadden twee substraten die vergelijkbare bevochtigingseigenschappen hadden [de neiging om uit te spreiden of op een oppervlak te plakken] maar verschillende thermische eigenschappen." Volgens conventioneel denken, de manier waarop druppels op de twee oppervlakken werkten, had vergelijkbaar moeten zijn, maar in plaats daarvan bleek het dramatisch anders te zijn.

op silicium, die warmte zeer goed geleidt, zoals de meeste metalen doen, "het gesmolten metaal viel er gewoon af, " zegt Varanasi. Maar op glas, wat een goede thermische isolator is, "de metaaldruppels zaten vast en waren moeilijk te verwijderen."

De bevinding toonde aan dat "we de adhesie van een druppel die bevriest op een oppervlak kunnen regelen door de thermische eigenschappen van dat oppervlak te regelen", hij zegt. "Het is een geheel nieuwe benadering" om te bepalen hoe vloeistoffen omgaan met oppervlakken, hij voegt toe. "Het biedt ons nieuwe hulpmiddelen om de uitkomst van dergelijke vloeistof-vaste stof interacties te beheersen."

Om het verschil in thermische geleidbaarheid van verschillende materialen te verklaren, Varanasi geeft het voorbeeld van twee vloeroppervlakken, een van steen, een andere van hout. Zelfs als beide op exact dezelfde temperatuur zijn, als je met blote voeten op het hout stapt, het zal warmer aanvoelen dan de steen. Dat komt omdat de steen een hogere thermische effusiviteit heeft (de snelheid waarmee een materiaal warmte kan uitwisselen) dan hout, zodat het sneller warmte van je voeten wegtrekt, waardoor het kouder aanvoelt.

De experimenten in het onderzoek werden uitgevoerd met gesmolten metaal, wat belangrijk is in sommige industriële processen, zoals de thermische spraycoatings die worden aangebracht op turbinebladen en andere machineonderdelen. Voor deze processen is de kwaliteit en uniformiteit van de coatings kan afhangen van hoe goed elke kleine druppel tijdens de afzetting aan het oppervlak hecht. De resultaten zijn waarschijnlijk ook van toepassing op alle soorten vloeistoffen, inclusief water, zegt Varanasi.

Bij het coaten van oppervlakken, "de manier waarop druppels inslaan en splats vormen, bepaalt de integriteit van de coating zelf. Als deze niet perfect is, het kan een enorme impact hebben op de prestaties van het onderdeel, zoals een turbineblad, ", zegt Varanasi. "Onze bevindingen zullen een heel nieuw begrip opleveren van wanneer dingen blijven hangen en wanneer niet."

De nieuwe inzichten kunnen zowel nuttig zijn wanneer het wenselijk is dat druppeltjes aan oppervlakken blijven kleven, zoals in sommige soorten 3D-printers, om ervoor te zorgen dat elke afgedrukte laag goed hecht aan de vorige laag, en wanneer het belangrijk is om te voorkomen dat druppeltjes blijven plakken, zoals op vliegtuigvleugels bij ijzig weer. Het onderzoek kan ook nuttig zijn voor de reiniging en het afvalbeheer van additive manufacturing- en thermische spuitprocessen.

Soto zegt dat de ontdekking tot stand kwam toen het team het lokale bevriezingsmechanisme bestudeerde op het grensvlak tussen de vloeistof en het substraat. met behulp van een thermische hogesnelheidscamera die tijdens het koelproces snelle effecten aan het licht bracht die op langere tijdspannes onmogelijk waren te zien. De afbeeldingen toonden een progressieve ontwikkeling van franjes rond de buitenranden van de druppeltjes. "Toen realiseerden we ons dat de druppel onverwachts opkrulde en losliet van het oppervlak terwijl het bevroor, "zegt hij. Ze beschreven dit fenomeen als "zelf-peeling" van de druppeltjes.

"De belangrijkste ingrediënten voor dit fenomeen, zegt de Ruiter, "zijn de wisselwerking tussen vloeistofdynamica op korte tijdschaal, die de hechting bepalen, en thermische effecten op langere termijn, die leiden tot globale vervorming." Het team ontwikkelde een ontwerpkaart die verschillende mogelijke uitkomsten vastlegt (plakken, zelf peeling, of stuiteren) in termen van belangrijke thermische eigenschappen:druppel- en substraateffusies, en temperaturen.

Aangezien de mate waarin druppels wel of niet blijven plakken afhangt van de thermische eigenschappen van een materiaal, het is mogelijk om die eigenschappen aan te passen op basis van de toepassing, zegt Soto. "We kunnen ons scenario's voorstellen waarin thermische eigenschappen in realtime kunnen worden aangepast door elektrische of magnetische velden, waardoor de plakkerigheid van het oppervlak voor inslaande druppels kan worden aangepast."

Het plakresultaat kan ook eenvoudig worden gecontroleerd door de relatieve temperaturen van de druppeltjes en het oppervlak te veranderen, het team gevonden. Vaak, deze wijzigingen zijn contra-intuïtief:bijvoorbeeld terwijl je zou verwachten dat de enige manier om te voorkomen dat bevriezingsdruppels aan elkaar kleven, is door een substraat te verwarmen, het team vond een nieuw regime, waar koeling van het oppervlak ook tot hetzelfde resultaat kan leiden.