在冬天，當(dāng)進(jìn)入一個溫暖的建筑物時，冷凝物可能會毀壞木質(zhì)咖啡桌或使玻璃杯起霧，但這并不都是不方便的；冷凝蒸發(fā)循環(huán)具有重要的應(yīng)用價值。水可以從“稀薄的空氣”中獲取，也可以通過冷凝的方式從海水淡化廠的鹽中分離出來。

由于冷凝液滴蒸發(fā)時會帶走熱量，這也是工業(yè)和高性能計算領(lǐng)域冷卻過程的一部分。然而，當(dāng)研究人員研究最新的冷凝方法時，發(fā)現(xiàn)了一些奇怪的現(xiàn)象：

當(dāng)一種特殊類型表面被一層薄薄的油覆蓋時，凝結(jié)的水滴似乎在表面上以高速隨機(jī)飛行，與更大的水滴融合，形成的模式不是由重力造成。華盛頓大學(xué)圣路易斯分校麥凱維工程學(xué)院機(jī)械工程與材料科學(xué)助理教授帕特里夏·維森西說：就它們自身的相對尺寸而言，它們之間的距離是如此之遠(yuǎn)，液滴的直徑小于50微米。它們都在以每秒1毫米的速度，向更大的水滴移動。

魏森西和實(shí)驗(yàn)室的博士生孫建興已經(jīng)確定，這種看似不穩(wěn)定的運(yùn)動是作用在液滴上的毛細(xì)力不平衡的結(jié)果。研究還發(fā)現(xiàn)，液滴的速度與油的粘度和液滴大小有關(guān)，這意味著液滴的速度可以控制，其研究結(jié)果發(fā)表在《軟物質(zhì)》上。在工業(yè)中最常見的冷凝形式中，水蒸氣冷凝在表面上形成一層厚厚的液體。這種方法被稱為“膜狀”冷凝。但另一種方法被證明在促進(jìn)冷凝和隨之而來的熱量轉(zhuǎn)移方面更有效：水滴狀冷凝。

為什么會移動？

它已經(jīng)被用于傳統(tǒng)的疏水表面——那些排斥水的表面，例如不粘鍋上的聚四氟乙烯涂層。然而，當(dāng)暴露在熱蒸汽中時，這些傳統(tǒng)的不潤濕表面會迅速退化。相反，幾年前，研究人員發(fā)現(xiàn)，在粗糙或多孔疏水表面注入潤滑油，如機(jī)油，會導(dǎo)致更快的凝結(jié)。重要的是，這些注入潤滑油的表面(LIS)導(dǎo)致了高度流動和更小的水滴的形成，當(dāng)涉及冷凝和蒸發(fā)時，這些水滴負(fù)責(zé)大部分的傳熱。然而，在這個過程中，表面水滴的運(yùn)動似乎是不穩(wěn)定的，而且速度很快。

相對于它們的大小，移動的速度非常快。問題是，為什么會移動？維森西和團(tuán)隊利用高速顯微鏡和干涉術(shù)觀察了整個過程，能夠辨別出發(fā)生了什么，以及液滴大小、速度和油粘度之間的關(guān)系。創(chuàng)造了水蒸氣，并觀察表面形成的小水滴，第一個過程是小水滴凝聚成更大的水滴。毛細(xì)管力使油滴長大并覆蓋在液滴上，形成半月板——圍繞液滴的一層彎曲的油。油在不停地移動，試圖達(dá)到一種平衡，因?yàn)樗采w了表面不同地方不同大小的液滴——如果一個大液滴在這里形成。

半月板就會在上面伸展，導(dǎo)致油層在其他地方收縮。收縮區(qū)域的任何小水滴都會迅速被拉向較大的水滴，從而導(dǎo)致富油和貧油區(qū)域。在這個過程中，較大的液滴基本上在清除空間，這反過來為更多的小液滴形成提供了空間。由于大部分的傳熱(約85%)是通過這些小水滴進(jìn)行，所以使用LIS進(jìn)行水滴冷凝應(yīng)該是一種更有效的散熱和從蒸汽中獲取水分的方法。由于水滴非常小，直徑小于100微米，所以可以在更小的區(qū)域凝結(jié)。還有一個好處。

在“傳統(tǒng)的”凝結(jié)過程中，重力是一種清除表面水分的力量，為新水滴的形成創(chuàng)造空間。表面是垂直放置，水只是簡單地流出。由于毛細(xì)管力在滴狀冷凝充液表面起作用，所以表面的方向無關(guān)緊要。這可能會被用于個人設(shè)備上，或者在太空中，因?yàn)檎麄€過程比傳統(tǒng)的冷凝更有效，這可能是一種不依賴重力清理空間的好方法。接下來，Weisensee的團(tuán)隊將測量傳熱，以確定在LIS上滴狀冷凝過程中，更小的水滴是否更有效。研究人員還計劃研究不同的表面，以最大限度地提高液滴的運(yùn)動。

博科園｜研究/來自：華盛頓大學(xué)圣路易斯分校

參考期刊《軟物質(zhì)》

DOI: 10.1039/C9SM00493A

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