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達拉斯德克薩斯大學戴賢明教授團隊 AFM：雙親類液體表面突破仿甲蟲表面的冷凝極限

2023-01-12 來源：高分子科技

受自然界的啟發，沙漠甲蟲因通過親/疏水組合圖案實現高效集水而得到廣泛研究，在水和能源的可持續性發展上取得重要進展。但現有的親/疏水組合由于過大的釘扎力，在空氣中冷凝時效果較好，但空氣中冷凝的熱通量非常低，只有1-2 kW/m²。當現有的仿甲蟲表面在蒸汽中冷凝時，其效果卻不如普通疏水表面。這是因為蒸汽冷凝中熱通量可以達到2001-2 kW/m²，這是空氣冷凝中的近100倍。其原因是在空氣冷凝中會有不凝氣體大大阻礙冷凝傳熱的速率，而在蒸汽冷凝中由于液滴產生速度非�？欤瑫䦟е抡麄€表面被冷凝水覆蓋形成膜狀凝結。這是因為現有仿甲蟲表面上的親水區域對液滴有很強的釘扎力，導致冷凝形成的液滴不能馬上被收集，從而在表面產生泛濫。因此，一個有效的超滑親/疏水組合需要親水和疏水區域都超滑，這樣才能同時在空氣和蒸汽冷凝中都取得很高的能源效率和快速水收集，才能對可持續的高效冷凝傳熱有進一步突破。

近日，達拉斯德克薩斯大學戴賢明教授團隊基于聚乙二醇化和硅氧烷聚合物的類液體表面（QLS）設計了一種親/疏水組合條紋，對比于原有的親/疏水表面，集水效率和冷凝效率分別提升了60%和170% （圖1）。該工作以“Pushing the Limit of Beetle-Inspired Condensation on Biphilic Quasi-Liquid Surfaces”為題發表在Advanced Functional Materials（Adv. Funct. Mater. 2023, 2211113）。硅氧烷鍵的柔韌性以及低表面粗糙度實現了超低接觸角滯后的疏水 QLS 。聚乙二醇化表面實現了超低接觸角滯后的親水QL S（圖2）。通過利用這些具有滑移特性的最先進表面，作者成功地制造了親/疏水組合條紋的超滑表面，可最大程度的減小釘扎力并提供卓越的冷凝性能。同時，該表面能提高集水效率的機理也進一步被研究（圖3）。在組合條紋 QLS 上，液滴通過聚結迅速生長并固定在每個親水性 QLS 條紋上。一旦它們長大，它們就會從親水性 QLS 條紋擴展到疏水性 QLS 區域。親水性條紋有利于液滴跨越多個條紋并橋接在一起，從而快速獲得足夠的體積以進行重力誘導的脫落。同時，親疏水條紋之間的接觸角滯后梯度對該表面也很重要。若梯度過大或者表面過于滑，液滴會直接在親水表面滑落而不會跨越條紋。而若親水表面不夠滑，膜狀冷凝會覆蓋親水表面從而降低蒸汽冷凝傳熱。

圖1. 仿甲蟲類液體表面突破空氣冷凝集水率和蒸汽冷凝傳熱系數的極限。

圖2. a) 硅烷 b) 疏水 QLS 和 c) 親水 QLS 上的化學成分、水接觸角 (CA) 的測角儀圖像和接觸角滯后 (CAH)。

圖3. 條紋QLS的冷凝傳熱增強機理。

綜上，在空氣和蒸汽冷凝中，具有超滑親/疏水組合的 QLS 優于現有的仿甲蟲組合。雙親QLS條紋上的快速橫向液滴合并和沿著光滑的親水條紋滑動的機理使得冷凝效率大大提升。工作表明，接觸角和接觸角滯后梯度對于設計親/疏水組合冷凝表面都至關重要。這項工作展示了如何設計仿生高效親/疏水冷凝表面，并且可以在高低熱通量下達到突破現有仿甲蟲表面的極限，并在蒸汽和空氣中實現高效冷凝。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202211113

研究團隊簡介：

戴賢明現為達拉斯德克薩斯大學助理教授，其團隊主要研究相變傳熱，微流體，表面科學，余熱發電和水收集。曾獲得美國自然科學基金委，陸軍研究辦公室，微流界面會議和工程學院等諸多杰出青年獎。其團隊長期招收相關方向研究生，有關其團隊具體信息見其網站：https://labs.utdallas.edu/dai

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（責任編輯：xu）

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