控制奇偶表面和液体如何相互作用

表面的润湿性——无论是水滴还是其他液体在与它接触时呈珠状或散开——是各种商业和工业应用中的关键因素，例如锅炉和冷凝器在电力中的工作效率植物或热管如何在工业过程中将热量排出。长期以来，这一特性一直被视为一对给定的液体和固体材料的固定特性，但现在麻省理工学院的研究人员已经开发出一种方法，即使是最不可能的材料配对也具有所需的润湿性水平。

本周，麻省理工学院博士后KyleWilke、ZhengmaoLu、YoungsopSong和机械工程教授EvelynWang在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上描述了这一新工艺。

润湿性通常与液体的表面张力特性密切相关——表面张力越高，液体越有可能在表面上形成珠粒，而不是扩散开来润湿表面。水星具有异常高的表面张力，因此被认为是高度不润湿的，因此该团队选择了这种众所周知的难液体作为他们的演示之一。他们能够制造出一种由典型的非润湿材料制成的表面，该表面使汞在没有化学反应的情况下扩散到表面，这是以前从未证明过的。

新方法基于对表面进行纹理处理，无论其成分如何，都具有紧密间隔的凹痕，这些凹痕具有“重入开口”——也就是说，顶部的开口比空腔的其余部分更窄，就像一个带有窄口的罐子。嘴。这种带纹理的表面用填充所有这些空腔的液体进行预处理，在整个表面的这些开口中留下暴露的液体区域，这会改变表面的特性。当添加另一种液体时，根据应用，它可能与预加载到表面的液体相同或不同，它对表面的响应从不润湿变为润湿。

对水具有高润湿性的表面称为亲水表面，而对水不润湿的表面称为疏水表面。润湿性或非润湿性是这种行为的通用术语，与所涉及的特定液体无关。

虽然之前已经证明了重入表面用于其他目的，但这项工作首次表明它们可以用来改变表面以产生“以前没有被证明过的润湿机制”，福特工程教授王说麻省理工学院机械工程系主任。

威尔克说，这些发现是如此新，可能还有许多团队尚未想到的实际应用：“这是我们对开始探索感到非常兴奋的事情，”他说。但各种工业过程中的热管理可能是首批实际用途之一。水或其他工作流体在冷凝器表面扩散或不扩散的方式会对涉及蒸发和冷凝的许多过程的效率产生重大影响，包括发电厂和化学加工厂。

“我们现在采用了非润湿表面并使其润湿，”威尔克说。“人们以前做过相反的情况，把一些润湿的东西做成不润湿的。”因此，这项新工作为能够对表面材料和液体的不同组合进行近乎完全的润湿性控制打开了大门。

“我们现在可以创建具有最可想象的润湿性组合的表面，”威尔克说。“我认为这绝对可以打开一些我们正在探索的真正有趣的应用程序。”

一个很有前途的领域是保护涂层。许多用于保护表面免受刺激性化学物质影响的材料都是非常不润湿的氟化化合物，这可能使它们不适用于许多应用。使这些表面润湿可以为此类涂料开辟许多新的潜在用途。

用于将热量从一个地方传导到另一个地方的高温热管，例如用于冷却机械或电子产品，是另一种有前途的应用。“其中许多工作流体是液态金属，并且已知它们具有非常高的表面张力，”卢说。这极大地限制了此类流体的选择，而这种新方法可以开辟可能的材料选择。

虽然这项研究的复杂表面压痕是使用半导体制造工艺制造的，但该团队正在探索使用3D打印或其他一些可以更容易地放大以用于实际应用的工艺来实现相同类型纹理的其他方法。

该团队还在探索这些重入开口的大小和形状的变化。例如，Lu说，虽然这些开口的表面积和间距主要决定了它们的润湿性行为，但它们的深度会影响这种行为的稳定性，因为更深的孔更能抵抗蒸发，这可能会破坏润湿性的改善。“到通道底部的距离是可能影响润湿行为的关键尺寸，”他说。这些变化正在后续工作中进行探索。

Lu说，通过使用水银，该团队“根据这个最困难的案例选择了我们的几何设置”，并且仍然能够展示出高润湿性。“因此，对于难度较低的组合，您可以更灵活地选择可能更容易制作的几何形状。”

“可能有很多行业会受益，”王说，“无论是化学加工行业、水处理行业还是热工产品行业。”她说，该团队接下来将采取的步骤之一是“与这些不同的行业交谈，以确定最近的机会在哪里”。

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