特殊纹理可减少液滴与材料接触时间 提高防水性

2013-11-22 09:32 来源: 科技日报
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  据美国麻省理工学院网站11月21日报道,该校科学家参与的一项研究发现,在材料表面增加一些特殊纹理可将液滴与材料表面接触的时间减少40%,能大幅提升材料的防水防冻性能。相关论文发表在《自然》杂志上。

  论文共同作者、麻省理工学院机械工程系副教授克里帕·瓦拉纳西说,液滴和物体表面接触的时间非常重要,它影响两者动量和能量的交互关系,直接决定材料的防水性能。接触时间越短,带来的优势越大。例如,想要防止机翼结冰,就必须注意雨滴与机翼接触的时间,两者接触的时间越长,机翼冻结的可能性越大。

  根据理论,液滴在接触物体表面后须经历几个阶段:首先扩展成薄饼状,然后再向内收缩,逐渐恢复形状,在物体表面张力的作用下发生回弹,继而离开接触面。为减少接触时间,传统的思路是尽可能地减少液滴与接触面的相互作用。据此,不少科学家都把重点放在了低黏性超疏水表面的研发上,但效果却十分有限。新研究中,瓦拉纳西的研究小组发现,以一种特殊的方式增加接触面与液滴的相互作用可加速这一个过程,大幅减少两者的接触时间。

  实验中,研究人员在接触面上人工制造了一些突起的“屋脊”,通过这种方式打破液滴对称性,继而将其分裂,使其以多个更小液滴的形式快速离开接触面。与平滑表面相比,这种屋脊状的表面能将接触时间减少40%。

  论文第一作者、原麻省理工学院博士后、现波士顿大学机械工程助理教授詹姆斯·伯德说:“我们已经证明,可以通过改变接触面纹理的方式重塑液滴形状,让接触面具有更强的防水性能。此外,接触时间的减少还意味着液滴在接触面冻结的可能性更低。”

  除防水和防结冰外,该技术还可在其他领域获得应用。例如,用该技术对水力发电的涡轮机叶片进行处理后将使叶片疏水性能更强,获得更高效率。此外,这项新技术还可让金属材料具有更强的防锈性能。这种纹理同样也可以用在纺织品表面,替代目前易燃的防水布料。

  瓦拉纳西说,创建这些表面纹理非常简单,工厂中普通的铣削刀具都可以完成这一工作,原有生产线几乎不用更新。对该技术的潜力,瓦拉纳西信心满满地说:“通过对纹理的优化,接触时间还有望获得进一步减少,我们希望最终能将其减少70%—80%。”