棒,果皮,或反弹:控制冷冻液滴的命运



冷冻微滴撞击的表面时,它们通常要么坚持下去或反弹离开。控制该反应是至关重要的许多应用,包括3-d印刷,某些表面涂层的喷涂,并且在结构如飞机机翼,风力涡轮机,或电源线的防结冰。

bt365手机的研究人员发现了令人惊讶的新的转折,当小滴与表面接触所涉及的机制。图为液滴的显微顶视图。图像:瓦拉纳西组/ MIT

现在,bt365手机的研究人员发现了令人惊讶的新的转折,当小滴与表面接触所涉及的机制。而大部分研究都集中在这种表面的疏水性,事实证明,他们的热性能也是极为重要的 - 并提供了一个意外的机会,以“调整”那些表面,以满足给定应用的具体需求。新的研究结果今天都在日记 自然物理学, 在机械工程kripa瓦拉纳西的bt365手机的副教授,博士后前jolet迪瑞特和博士后丹·索托的报告。

“我们发现了一些很有趣的,”瓦拉纳西说。他的团队正在研究的液体的特性 - 在这种情况下,滴剂熔融金属 - 冷冻到表面上。 “我们有这样的具有相似的润湿性质[倾向要么摊开或成珠的表面上],但不同的热性质两个衬底。”按常规思路,滴担任两个表面上的方式应该是相似的,但相反,它竟然是截然不同的。

上硅,其导热非常好,因为大多数金属做的,“熔融金属刚脱落,”瓦拉纳西说。但在玻璃上,这是一种良好的热绝缘体,“金属的液滴粘和难以取出。”

这一发现表明,“我们可以控制液滴冻结通过控制热特性的表面上的附着”是表面的,他说。 “这是一种全新的方式”,以确定液体如何与表面相互作用,他补充道。 “它为我们提供了这样的控制液固相互作用的结果,新的工具。”

解释在不同的材料的热导率的差异,瓦拉纳西给出了两个地板表面,一个由石,另一木材的例子。即使双方都在完全相同的温度,如果你光着脚在木步骤,它会感觉比石头更温暖。这是因为石头具有较高的热浸透比木材,所以它吸引的热量远离你的脚更迅速,使其感觉比较冷(在该材料可进行热交换率)。

在研究中实验用的熔融金属,这是在一些工业过程中是重要,诸如施加到涡轮机叶片和其它机器部件的热喷涂涂层进行。对于这些方法中,涂层的质量和均匀性可取决于如何以及在沉积过程中每一个微小的液滴附着到表面上。结果可能适用于各种液体,以及包括水,瓦拉纳西说。

涂覆表面时“的方式液滴冲击和形式提示图标使然涂层本身的完整性。如果它不是完美的,它可以对部件的性能产生巨大的影响,如涡轮叶片,”瓦拉纳西说。 “我们的研究结果将提供时,事情坚持了一个全新的认识,当他们不这样做。”

新的见解可能是有用的都当它是需要有水滴附着于物体表面,如在某些类型的3-d打印机,以帮助确保每个印刷层粘附彻底上一层,而当重要的是要防止水滴粘,如在结冰的天气,飞机机翼。这项研究还可以作为添加剂生产和热喷涂工艺的清洁和废物管理很有帮助。

熔融锡的液滴被看作落入硅的表面上,左,其导热良好,并且在玻璃上,右,这是一种热绝缘体。相同的条件下,在硅凝固的液滴落在当表面倾斜马上,而在玻璃液滴紧密地附着到表面上。 (图像:瓦拉纳西组/ MIT)

索托说,发现出来时,球队在液体和衬底之间的界面学习当地的冻结机制,使用热高速摄像机,冷却过程,就不可能看到在更长的时间尺度期间透露的快速效应。所述图像显示周围的液滴外边缘条纹的逐步发展。 “我们后来意识到液滴被意外袅袅上升,并从它冻结了表面脱落,”他说。他们描述了这种现象为液滴的“自剥离”。

迪瑞特说,“对于这种现象,其主要成分”,“很短的时间尺度流体动力学之间的相互作用,其设定的附着力,以及更长的时间尺度的热效应,从而导致整体变形。”团队开发了一种设计图,其捕获不同可能的结果(粘附,自我剥离或弹跳)在关键的热性质方面:降和基板effusivities,和温度。

因为到水滴贴或不依赖于材料的热性能的程度,有可能裁缝基于应用这些属性,索托说。 “我们可以想象场景中的热特性可通过电场或磁场实时调节,从而允许在表面的粘性来影响液滴是可调节的”。

穿刺结果也可以通过改变液滴和表面的相对温度简单地控制,研究小组发现。在许多情况下,这些改变是违反直觉的:例如,当一个可能会认为,以防止结冰液滴是通过加热基板粘贴的唯一途径,研究小组发现了新的政权,其中冷却表面也可能导致同样的结果。

该研究是由阿尔斯通和来自荷兰的卢比肯奖学金支持。