Onderzoekers van de Oregon State University en het Pacific Northwest National Laboratory hebben een nieuwe manier ontdekt om nanostructuurcoatings aan te brengen om de warmteoverdracht veel efficiënter te maken, met belangrijke potentiële toepassingen voor high-tech apparaten en de conventionele verwarmings- en koelingsindustrie.

Deze coatings kunnen vier keer sneller warmte verwijderen dan dezelfde materialen voordat ze worden gecoat, gebruik van goedkope materialen en toepassingsprocedures.

De ontdekking heeft het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de koeltechnologie, deskundigen zeggen.

De bevindingen zijn zojuist bekendgemaakt in de Internationaal tijdschrift voor warmte- en massaoverdracht , en er is een octrooiaanvraag ingediend.

"Voor de configuraties die we hebben onderzocht, deze benadering bereikt een warmteoverdracht die theoretische maxima nadert, " zei Terry Hendricks, de projectleider van het Pacific Northwest National Laboratory. "Dit is behoorlijk belangrijk."

De verbetering van de warmteoverdracht die wordt bereikt door het modificeren van oppervlakken op nanoschaal heeft mogelijke toepassingen in industriële systemen op zowel micro- als macroschaal, aldus onderzoekers. De coatings produceerden een "warmteoverdrachtscoëfficiënt" die 10 keer hoger was dan ongecoate oppervlakken.

Warmte-uitwisseling is sinds de industriële revolutie een belangrijk probleem in veel mechanische apparaten.

De radiator en het circulerende water in een automotor zijn bedoeld om dit probleem aan te pakken. Warmtewisselaars zorgen ervoor dat moderne airconditioners of koelkasten functioneren, en onvoldoende koeling is een beperkende factor voor veel geavanceerde technologische toepassingen, variërend van laptops tot geavanceerde radarsystemen.

"Veel elektronische apparaten moeten snel veel warmte afvoeren, en dat is altijd moeilijk geweest, " zei Chih-hung Chang, een universitair hoofddocent aan de School of Chemical, Biologische en milieutechniek aan de Oregon State University. "Deze combinatie van een nanostructuur bovenop een microstructuur heeft het potentieel voor warmteoverdracht die veel efficiënter is dan alles wat we eerder hebben gehad."

Er is genoeg inefficiëntie in warmteoverdracht, bijvoorbeeld, dat voor water om het kookpunt van 100 graden Celsius te bereiken, de temperatuur van aangrenzende platen moet vaak rond de 140 graden zijn. Maar met deze nieuwe aanpak door zowel hun temperatuur als een nanostructuur die letterlijk de vorming van bellen stimuleert, water kookt wanneer soortgelijke borden slechts ongeveer 120 graden Celsius zijn.

Om dit te doen, warmteoverdrachtsoppervlakken zijn gecoat met een nanogestructureerde toepassing van zinkoxide, die in dit gebruik een multi-gestructureerd oppervlak ontwikkelt dat bijna op bloemen lijkt, en heeft extra vormen en capillaire krachten die bellenvorming en snelle, efficiënte aanvulling van actieve kookplaatsen.

Bij deze experimenten water werd gebruikt, maar andere vloeistoffen met andere of zelfs betere koeleigenschappen kunnen ook worden gebruikt, aldus de onderzoekers. Het coaten van zinkoxide op aluminium- en kopersubstraten is goedkoop en kan betaalbaar worden toegepast op grote oppervlakken.

Daarom, deze technologie heeft het potentieel om niet alleen koelproblemen in geavanceerde elektronica aan te pakken, zeiden de wetenschappers, maar kan ook worden gebruikt in meer conventionele verwarming, toepassingen voor koeling en airconditioning. Het kan uiteindelijk zijn weg vinden naar alles, van een laser met korte puls tot een airconditioner voor thuis of efficiëntere warmtepompsystemen. Militaire elektronische toepassingen die grote hoeveelheden stroom verbruiken, zijn ook waarschijnlijk, aldus onderzoekers.

Het onderzoek is ondersteund door het Army Research Laboratory. Verdere studies worden voortgezet om bredere commerciële toepassingen te ontwikkelen, aldus onderzoekers.

"Deze resultaten suggereren de mogelijkheid van vele soorten selectief gemanipuleerde, nanogestructureerde patronen om het kookgedrag te verbeteren met behulp van goedkope oplossingschemie en -processen, schreven de wetenschappers in hun studie. "Als oplossingsprocessen, deze microreactor-geassisteerde, benaderingen voor depositie van nanomaterialen zijn minder duur dan benaderingen van koolstofnanobuisjes, en nog belangrijker, verwerkingstemperaturen zijn laag."