"Omnifoob" klinkt misschien als een manier om iemand te beschrijven die bang is voor alles, maar het verwijst eigenlijk naar een speciaal type oppervlak dat vrijwel elke vloeistof afstoot. Dergelijke oppervlakken kunnen mogelijk overal worden gebruikt, van scheepsrompen die de weerstand verminderen en de efficiëntie verhogen, tot bekledingen die bestand zijn tegen vlekken en beschermen tegen schadelijke chemicaliën. Maar de tot nu toe ontwikkelde omnifobe oppervlakken hebben een groot probleem:condensatie kan hun vloeistofafstotende eigenschappen snel uitschakelen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een manier gevonden om dit effect te overwinnen, het produceren van een oppervlakteontwerp dat de effecten van condensatie drastisch vermindert, hoewel met een kleine opoffering in prestaties. De nieuwe bevindingen worden beschreven in het tijdschrift ACS Nano , in een paper van afgestudeerde student Kyle Wilke, hoogleraar werktuigbouwkunde en afdelingshoofd Evelyn Wang, en twee anderen.

Om een ​​oppervlak te creëren dat vrijwel alle vloeistoffen kan afvoeren, is een nauwkeurig soort textuur nodig dat een reeks microscopisch kleine luchtzakken creëert, gescheiden door pilaren of richels. Deze luchtbellen houden de meeste vloeistof weg van direct contact met het oppervlak, voorkomen dat het "bevochtigt, " of uitspreiden om een ​​heel oppervlak te bedekken. In plaats daarvan, de vloeistof parelt op in druppeltjes.

"Veel vloeistoffen zijn perfect bevochtigend, wat betekent dat de vloeistof zich volledig verspreidt, ", zegt Wilke. Deze omvatten veel van de koelmiddelen die worden gebruikt in airconditioners en koelkasten, koolwaterstoffen zoals die worden gebruikt als brandstoffen en smeermiddelen, en veel alcoholen. "Die zijn erg moeilijk af te weren. De enige manier om dit te doen is door een zeer specifieke oppervlaktegeometrie, wat niet zo makkelijk is om te maken, " hij voegt toe.

Verschillende groepen werken aan fabricagemethoden, hij zegt, maar met oppervlaktekenmerken gemeten in tientallen microns (miljoensten van een meter) of minder, "het kan het heel moeilijk maken om te fabriceren, en kunnen de oppervlakken behoorlijk kwetsbaar maken."

Als dergelijke oppervlakken beschadigd zijn, bijvoorbeeld als een van de kleine pilaren verbogen of gebroken is, kan dit het hele proces verslaan. "Eén lokaal defect kan het vermogen van het hele oppervlak om vloeistoffen af ​​te stoten vernietigen, "zegt hij. En condensatie, zoals dauwvorming door een temperatuurverschil tussen de lucht en het oppervlak, handelt op dezelfde manier, het vernietigen van de alomtegenwoordigheid.

"We hebben overwogen:hoe kunnen we een deel van de afstoting verliezen, maar het oppervlak robuust maken" tegen zowel schade als dauw, zegt Wilke. "We wilden een structuur die niet door één defect zou worden vernietigd." Na veel rekenen en experimenteren, ze hebben een geometrie gevonden die aan dat doel voldoet, bedankt, gedeeltelijk, tot microscopisch kleine luchtbellen die losgekoppeld zijn in plaats van aangesloten op de oppervlakken, waardoor verspreiding tussen zakken veel minder waarschijnlijk is.

De functies moeten erg klein zijn, hij legt uit, omdat wanneer druppeltjes worden gevormd, ze zich in eerste instantie op de schaal van nanometers bevinden, of miljardsten van een meter, en de afstand tussen deze groeiende druppeltjes kan minder dan een micrometer zijn.

De belangrijkste architectuur die het team heeft ontwikkeld, is gebaseerd op richels waarvan de profielen lijken op een letter T, of in sommige gevallen een letter T met schreven (de kleine haakjes aan de uiteinden van letterstreken in sommige lettertypen). Zowel de vorm zelf als de afstand tussen deze ribbels zijn belangrijk om de weerstand van het oppervlak tegen beschadiging en condensatie te bereiken. De vormen zijn ontworpen om de oppervlaktespanning van de vloeistof te gebruiken om te voorkomen dat deze de kleine luchtzakjes binnendringt, en de manier waarop de richels aansluiten, voorkomt dat lokale penetratie van de oppervlakteholten zich naar anderen in de buurt verspreidt, zoals het team heeft bevestigd in laboratoriumtests.

De ribbels zijn gemaakt in een meerstapsproces met behulp van standaard microchipproductiesystemen, eerst de ruimtes tussen richels wegetsen, bedek vervolgens de randen van de pilaren, dan die coatings wegetsen om de inkeping in de zijkanten van de ribbels te creëren, bovenaan een paddenstoelachtige overhang achterlatend.

Vanwege de beperkingen van de huidige technologie, Wilke zegt, omnifobe oppervlakken worden tegenwoordig zelden gebruikt, maar het verbeteren van hun duurzaamheid en weerstand tegen condensatie zou veel nieuwe toepassingen mogelijk maken. Het systeem moet nog verder verfijnd worden, Hoewel, voorbij dit eerste bewijs van het concept. Mogelijk, het kan worden gebruikt om zelfreinigende oppervlakken te maken, en om de weerstand tegen ijsvorming te verbeteren, om de efficiëntie van warmteoverdracht in industriële processen te verbeteren, inclusief energieopwekking, en om de weerstand op oppervlakken zoals de rompen van schepen te verminderen.

Dergelijke oppervlakken kunnen ook bescherming bieden tegen corrosie, door het contact tussen het materiaaloppervlak en eventuele bijtende vloeistoffen waaraan het kan worden blootgesteld te verminderen, zeggen de onderzoekers. En omdat de nieuwe methode een manier biedt om de oppervlaktearchitectuur nauwkeurig te ontwerpen, Wilke zegt dat het kan worden gebruikt om "aan te passen hoe een oppervlak interageert met vloeistoffen, zoals voor het afstemmen van de warmteoverdracht voor thermisch beheer in krachtige apparaten."

Chang-Jin Kim, een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Californië in Los Angeles die niet betrokken was bij dit werk, zegt:"Een van de belangrijkste beperkingen van omnifobe oppervlakken is dat, terwijl een dergelijk oppervlak een superieure vloeistofafstotendheid heeft, het hele oppervlak wordt bevochtigd zodra de vloeistof op sommige plaatsen in de holtes in het getextureerde oppervlak komt. Deze nieuwe aanpak pakt deze beperking aan."

Kim voegt eraan toe:"Ik vind het leuk dat hun kernidee gebaseerd was op fundamentele wetenschap, terwijl hun doel was om een ​​belangrijk real-life probleem op te lossen. Het probleem dat ze hebben aangepakt, is een belangrijk, maar heel moeilijk probleem." En, hij zegt, "Deze benadering kan sommige van de omnifobe oppervlakken mogelijk nuttig en praktisch maken voor enkele belangrijke toepassingen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.