研究人员开发了一种新型表面涂层，与传统铜表面相比，可以将冷凝热传递性能提高多达5.5倍。这项技术通过帮助水滴更容易形成并更快脱离，从而改善了发电厂和海水淡化设施的能效，同时也增强了电子设备的冷却效果。KAIST（校长白忠锡）于8月23日宣布，由机械工程系南永锡教授和化学与生物分子工程系林成叶教授共同带领的团队，通过精确控制超薄聚合物涂层的厚度和结构，创建了该技术。该涂层促进了水蒸气冷凝时出现更多水滴，同时也使这些水滴更容易离开表面。冷凝为何对热传递至关重要 冷凝发生在水蒸气变为液态水时。一个熟悉的例子是冷饮外表出现的水滴层。在工业中，冷凝在发电厂中将蒸汽重新转化为水、在海水淡化设施中产生淡水，并在电子设备中带走热量方面起着重要作用。为了让这些系统高效运作，冷凝水必须迅速从表面清除。在普通金属表面上，小水滴往往会合并成一层连续的水膜。这个水膜就像是热流的额外障碍，减少了热传递的效率，就如多层冬装减缓热量从身体散失的方式相似。当水保持在单独的水滴中反复形成和脱离时，过程会更有效率。这种行为被称为水滴冷凝（dropwise condensation）。因为水滴离开表面而不是形成连续层，表面的新区域不断暴露，使热量能够更有效地通过表面移动。水滴形成与去除之间的权衡 先前的表面设计在一个重要的限制上遇到了困难。粗糙的表面提供更多水滴开始形成的地方，但这些结构也会困住水滴，使它们难以去除。光滑的表面允许水滴更容易滑动或脱离，但提供了较少的新水滴形成位置。这在水滴的初步形成（成核）和水滴的移动性之间创造了一个基本的权衡。研究人员借助于纳米级聚合物聚集体来解决这个问题，这些聚集体先前被视为聚合物涂层中的不受欢迎的“缺陷”。他们采用已启动的化学气相沉积（iCVD）技术，使用气相前驱体在表面上沉积形成极薄的聚合物层。当研究人员使聚合物膜变薄时，许多小的聚合物聚集体在表面上出现。研究团队将这些结构用作水滴可以开始形成的成核位置，而不是将它们去除。薄聚合物膜的水滴数量大约是厚膜的三倍。帮助水滴更快地形成和脱离 团队随后引入了热处理，从而减弱了水滴与涂层表面之间的作用力。这使得水滴更容易脱离，通常在它们还没有时间变得很大之前就会离开。这两项调整解决了冷凝过程的不同部分。减小聚合物膜厚度增加了水滴形成的位置数量，而热处理则使水滴离开表面更容易。通过单独控制这些效果，研究人员能够克服通常在创造更多水滴和快速去除它们之间的冲突。一旦水滴离开，就可以在新暴露的空间中形成另一个水滴。这个过程类似于当有人起身后，空座位立即被填满。水滴出现和离开的频率越高，表面被刷新得越频繁，从而使热量更高效地在表面中移动。热传递性能提升多达5.5倍 为了在更接近于现实应用的条件下测试该技术，研究人员将聚合物涂层应用于用于冷凝器的铜管。最大冷凝热传递系数（衡量表面传热能力的指标）达到了约88 kW·m -2 ·K -1。这代表着，与被水膜覆盖的传统铜表面相比，其热传递性能提高了多达约5.5倍。新涂层的性能比传统疏水涂层表面提高了50%以上。研究人员并没有仅依赖于光滑或排水的表面，而是故意利用了小的表面“缺陷”。他们的结果表明，曾被视为需要消除的纳米级颗粒反而可以提供有用的水滴形成位置。