يغلي الكثير من الماء – سواء أكان ذلك فنجان شاي في المطبخ أو محطة توليد الكهرباء. أي تحسينات في كفاءة هذه العملية سيكون لها تأثير كبير على إجمالي الطاقة المستخدمة كل يوم.
يمكن أن يأتي أحد هذه التحسينات مع معالجة مطورة حديثًا للأسطح المستخدمة في تسخين المياه وتبخيرها. تحسن المعالجة معلمتين رئيسيتين تحددان عملية الغليان: معامل نقل الحرارة (HTC) وتدفق الحرارة الحرج (CHF).
في معظم الأحيان ، هناك مقايضة بين الاثنين – كلما تحسن أحدهما ، ساء الآخر. بعد سنوات من التحقيق ، وجد مصطلح البحث وراء هذه التقنية طريقة لتحسين كليهما.
“كلتا المعلمتين مهمتان ، ولكن تحسين كلا المعلمتين معًا يعد نوعًا من الصعوبة لأن لهما مقايضة متأصلة.” يقول عالم المعلوماتية الحيوية يونجساب تشانغ من مختبر لورنس بيركلي الوطني في كاليفورنيا.
“إذا كان هناك الكثير من الفقاعات على سطح الغليان ، فهذا يعني أن الغليان أكثر كفاءة ، ولكن إذا كان هناك الكثير من الفقاعات على السطح ، فيمكن أن تتجمع وتشكل طبقة بخار على سطح الغليان.”
يقدم أي فيلم بخار بين السطح المسخن والماء مقاومة ، مما يقلل من كفاءة نقل الحرارة وقيمة CHF. للتغلب على المشكلة ، طور الباحثون ثلاثة أنواع مختلفة من تعديل السطح.
أولاً ، يتم إضافة سلسلة من الأنابيب الدقيقة. هذه المجموعة من الأنابيب التي يبلغ عرضها 10 ميكرومتر ، والتي تفصل بينها مسافة 2 ملم تقريبًا ، تتحكم في تكوين الفقاعات وتثبت الفقاعات في التجاويف. هذا يمنع تشكيل فيلم بخار.
في الوقت نفسه ، يقلل من تركيز الفقاعات على السطح ، مما يقلل من قدرة الغليان. للتغلب على ذلك ، قدم الباحثون علاجًا أصغر كتعديل ثانٍ ، بإضافة نتوءات وتلال بحجم نانومتر إلى سطح الأنابيب المجوفة. هذا يزيد من مساحة السطح المتاحة ويعزز معدلات التبخر.
أخيرًا ، تم وضع التجاويف الدقيقة في وسط سلسلة من الأعمدة على سطح المادة. تعمل هذه الأعمدة على تسريع عملية الرسم للسائل عن طريق إضافة المزيد من مساحة السطح. مجتمعة ، تزداد سعة الغليان بشكل ملحوظ.
أعلاه: فيديو بطيء الحركة لإعداد الباحثين يظهر غليان الماء على سطح معالج بشكل خاص لتكوين فقاعات في نقاط منفصلة محددة.
لأن الهياكل النانوية تعزز التبخر تحت الفقاعات ، وتحافظ الأعمدة على إمداد ثابت من السائل لقاعدة الفقاعة ، يمكن الحفاظ على طبقة من الماء بين سطح الغليان والفقاعات – مما يعزز أقصى تدفق للحرارة.
“الخطوة الأولى هي إظهار أنه يمكن التحكم في السطح بهذه الطريقة للحصول على التحسين.” يقول المهندس الميكانيكي إيفلين وانغ من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. “الخطوة التالية هي التفكير في مناهج أكثر قابلية للتوسع.”
“هذه الأنواع من الهياكل التي نبنيها لا يُقصد منها التوسع في شكلها الحالي.”
قد لا يكون نقل العمل من معمل صغير الحجم إلى مختبر يمكن استخدامه في الصناعات التجارية أمرًا سهلاً ، لكن يعتقد الباحثون أنه يمكن القيام به.
يتمثل التحدي في إيجاد طرق لإنشاء نسيج سطحي وثلاث “طبقات” من التحولات. الخبر السار هو أنه يمكن استكشاف طرق مختلفة ، ويجب أن تعمل العملية مع أنواع مختلفة من السوائل.
“يمكن تغيير هذه الأنواع من التفاصيل ، وستكون هذه هي خطوتنا التالية.” تقول سونغ.
نشرت في الأطروحة مواد متطورة.
“متعصب التلفزيون. مدمن الويب. مبشر السفر. رجل أعمال متمني. مستكشف هواة. كاتب.”