Velika generacija mikro-kapljica niza kondenzacijom pare na komadu mrežastih zaslona | znanstvena izvješća

Velika generacija mikro-kapljica niza kondenzacijom pare na komadu mrežastih zaslona | znanstvena izvješća

Anonim

teme

  • Fazni prijelazi i kritične pojave
  • Površine, sučelja i tanki filmovi

Sažetak

Razvili smo novi sustav niza mikro-kapljica, koji se temelji na različitoj strukturi trodimenzionalne mreže i performansama termičkih fluida izazvanih sintranjem i oksidacijom. Mrežni zaslon sinteriran je na bakrenoj podlozi spajanjem dviju komponenti. Nejednako naprezanje ostataka nastaje duž žice potke, s većim naprezanjem na gornjoj lokaciji žice potke nego drugdje. Oksidacija sintranog paketa stvara mikro jame s nekoliko nanograsa na gornjoj lokaciji žičane žice, zbog mehanizma korozije za naprezanje. Nanograsi rastu drugdje kako bi pokazali hidrofobno ponašanje. Tako se formiraju žice potpore-gradijentno-gradijentno područje. Hlađenjem strukture u vlažnom zraku uklanjaju se kapljice vode na gornjoj lokaciji žičane žice, što je više "hidrofilno" nego drugdje. Veličina kapljica dobro je kontrolirana temperaturom podloge, vlagom zraka i vremenom hlađenja. Budući da osnove žice ne dodiruju bakreni supstrat i postoji veći provodni toplinski otpor između osnove i potporne žice, osnove žice manje doprinose kondenzaciji, ali djeluju kao noseća konstrukcija. Analiza površinske energije kapi duž žičnih žica objašnjava zašto se niz kapljica može stvoriti na mrežnom komadu zaslona. Budući da se koristi komercijalni materijal, sustav kapljica je isplativ i može se koristiti za veliku upotrebu.

Uvod

Micro / nano niz kapljica ima brojne primjene inženjeringa. Na primjer, Zhu i sur . izvijestili su o metodi koja se temelji na nizu kapljica nanolitra za kvantificiranje ekspresije gena u pojedinim stanicama 1, 2 . Slijednim ispisom kapljica nanoliterskih razmjera na mikrofluidnom robotu mogu se automatski postići svi postupci s tekućinom, uključujući kapsulaciju stanica, lizu, obrnutu transkripciju i kvantitativni PCR s detekcijom fluorescencije u stvarnom vremenu. Mikrofluidni sustav na bazi kapljica korišten je za postizanje efekta leće pomoću tankog tekućeg sloja na polarnom električnom kristalu poput LiNbO 3 3 . Niz tekućih mikro-leća nastao je djelovanjem elektricne struje u piroelektričnim periodično klesanim kristalima. Kapacitivni senzor osjetljiv na dodir koristi niz kapljica tekućeg metala (LM) 4 . Mikrosistem ima tri komponente, uključujući tanki sloj tankog oksidnog filma s uzorkom elektroda, komoru u obliku piramidnog polidimetilsiloksana (PDMS) koja sadrži kapljice LM i gornju membranu s elektrodom. Područje preklapanja između kapljica LM i elektrode s ravnim dnom može se promijeniti radi moduliranja kapaciteta senzora.

Samoorganizirani niz kapljica može se naći u biotehnici za rukovanje uzorcima, ispitivanju i analizi, optičkom inženjeringu za izgradnju slike i elektroničkoj industriji. Modulacija rasta i kretanja kapijom postigla je veliki napredak posljednjih godina. On i sur . 5 izvijestili su o učinkovitoj metodi uklanjanja kapi kondenzirane vode s hijerarhijski strukturiranim poroznim aluminijskim površinama. Zhang i sur . Slika 6 pokazuje da se kutovi dodira kap mogu odrediti lokalnom strukturom heterogenih površina. Lv i sur . 7 su pokazale bio-nadahnute strategije za zaštitu od zaleđivanja. Zhang i sur . 8 ispitanih pojačanog skakanja kondenziranih kapljica vode po površinama protiv zaleđivanja. Liu i sur . 9 kontrolira samohodno skakanje kapljica duž propisanog smjera na mikro-anizotropnoj superhidrofobnoj površini. Primjećujemo da kapljice mogu biti modulirane u zatvorenom sustavu. Huang i sur . 10 su pokazale tvorbu emulzija na licu mjesta pomoću kontroliranih zračnih čepova. Pored toga, kapljice se mogu stvarati i modulirati u otvorenom okruženju. Hou i sur . Slika 11 pokazala je prostorno stvaranje kapljica na hibridnoj hidrofičnoj / superhidrofobnoj površini.

Stvaranje i modulacija kapljica temelji se na mikro / nano sustavu. Materijal supstrata za ove sustave je silicij 12, staklo 13 i PDMS 14 . Ovi sustavi imaju uobičajenu kompaktnu veličinu. Ukupna veličina čipa je u ~ mm-cm skali. Serija mikrosustava korisna je za smanjenje troškova izrade. Stvaranje mikro / nano kapljica na velikoj površini predstavlja izazov. Kako možemo proizvesti mikro / nano kapljicu na metalnoj površini veličine ~ m 2 ? Tehnike formiranja uzorka kapljica za mikrosustave teško su uvesti za veliku upotrebu. Trošak će se značajno povećati ako jednom tehniku ​​stvaranja kapljica zasnovanu na mikrosustavu preusmjerimo na veliku upotrebu. Strojni inženjering treba takav zahtjev. Ako neki strojevi hidrofilne točke na superhidrofobnoj površini bakra velikih razmjera, poboljšat će se prijenos topline kondenzacijom zbog zakašnjelog izlijevanja tekućine na površinu 15 . Nedavno su Yoo i sur . napomenuo je da se povremene kapljice vode na komadu metalne površine mogu upotrijebiti za apsorpciju elektromagnetskog vala, što je atraktivno za vojne borce, tenkove i ratni brod kako bi se izbjeglo radarsko otkrivanje 16 .

Ovdje smo izvijestili o novom mehanizmu uzorka mikro kapljica u velikoj mjeri na metalnoj površini kapljicama kondenzacije. Uređaj radi na temelju različite trodimenzionalne (3D) mrežaste strukture, koja je sinterirana na bakrenoj podlozi. Na bakrenoj podlozi su lemljeni samo donji dio žice potke, što izaziva nejednako naprezanje ostataka uz zakrivljene žice potke. Vanjska i unutarnja strana žice potka pokazuju napetost pri povlačenju i pritisku. Napon je veći na gornjoj lokaciji žice potke nego drugdje. Kad se sinterirana struktura oksidira, postoje jame veličine mikrona i na tamošnjem gornjem dijelu žičane žice nema mnogo nano-trava zbog prekomjerne oksidacije. Nano-trava rastu na drugim mjestima žica za vlakna kako bi pokazali hidrofobno ponašanje. Stoga se periodično formiraju nove žice potke i gradijentno-energetski gradijent. Hlađenje bakrene podloge i mrežastog ekrana u okruženju s mokrim zrakom, kapljice vode s kapljicama vode na gornjoj lokaciji žice potke, što je više "hidrofilno" od ostalih mjesta. Promjena temperature vode za hlađenje, vremena hlađenja ili poniznosti zraka moduliraju veličinu kapljica. Warp žice su imale više temperature od žica potka, pa se nuklearna kapljica rijetko događa na warp žicama. Budući da je materijal (zaslon od bakra i mrežice) komercijaliziran i tehnika sinterovanja zrela, uređaj je jeftin i pogodan za generiranje nizova kapljica velikih razmjera.

Neravnomjerna naprezanja duž žica za vlakna

Priprema ispitnog dijela sastoji se od dva koraka: sinteriranje mrežastog dijela na bakrenoj podlozi i izmjena površine testnog dijela radi stvaranja mikro / nano strukture. Slika 1 prikazuje postupak sinterovanja prije oksidacije. Zaslon od bakrene mreže široko se koristi u industrijama kao što su toplinske cijevi 17 i separator plina-tekućina 18 . Promjer mrežaste žice je d, a širina pravokutnih pora je w (d = 101 µm i w = 152 µm, vidi sliku 1a). Izdvojena trodimenzionalna struktura sastoji se od ravne osnove i zakrivljenih žica. Drugim riječima, mrežasti zaslon imao je periodične paralelne i zakrivljene žice, međusobno odvojene ravne osnove. Bakreni cilindrični blok promjera 30 mm i visine 20 mm pažljivo je obrađen i poliran finim brusnim papirom (vidi Sliku 1b).

Image

( a ) mrežasti sito, ( b ) bakreni supstrat, ( c ) spajanje dviju komponenata primjenom vanjske sile, ( d ) mrežasti sito sinteriran na bakrenoj podlozi, ( e ) povećana struktura ispitnog dijela prije oksidacije.

Slika pune veličine

Mrežni zaslon stavlja se na vrh bakrene podloge. Dvije komponente se međusobno spajaju nametanjem vanjske sile stvorene grafitnim kalupom i težinom od 1 kg (vidi Sliku 1c). Kompresijski naprezanje uzrokovano težinom važno je za održavanje bliskog kontakta između mrežaste slike i bakrene podloge. To također osigurava lokalno lemljenje (ne točkasto lemljenje) potkovnih žica s bakrenom podlogom, održavanje relativno jednoličnih temperatura između žica potke i bakrenog bloka. Slika 1d prikazuje presjek nakon sinteriranja. Uvećana 3D struktura prikazana je na slici 1e, uz napomenu da je donji dio potkanih žica lemljen bakrenom podlogom. Warp žice su suspendirane u zračnom okruženju, ali povremeno se odvojene žice kao potporna konstrukcija.

Postupak sinteriranja pod primijenjenom vanjskom silom uzrokovao je nejednaka naprezanja duž zakrivljenih žica žice. Na slici 2a prikazan je mrežasti zaslon na ravnoj površini bez vanjske sile, ponašajući se točki dodir između njih. Kada na komadić mrežaste slike primijenimo vanjsku silu kao što je 1 kg, prvotno suspendirane AB točke (vidi sliku 2a) dodiruju ravničarsku površinu zbog meke deformacije materijala (vidi Sliku 2b). U skladu s tim, visina mrežice se mijenja iz H u H - δ, što ukazuje na δ deformaciju u smjeru visine. Kada se vanjska sila (težina) ukloni s mrežnog zaslona, ​​dolazi do naprezanja. Na slici 2c prikazan je središnji presjek žice potke, povremeno odvojen paralelnim osnovama, nakon postupka sinterovanja. Najprije se obratila pozornost na gornju lokaciju žičane tkanine. Uspostavljen je koordinatni sustav kao O kao izvorne točke i r kao indeksa polumjera. Stres je izražen kao 19

Image

( a ) Mrežni zaslon na bakrenoj podlozi prije primjene vanjske sile, ( b ) mreža mrežaste deformacije nakon primjene vanjske sile, ( c ) analiza napona na gornjem području i na drugim mjestima koja odstupaju od gornjeg područja nakon procesa sinteriranja kada je težina bila uklonjena.

Slika pune veličine

Image

gdje je E modul elastičnosti, r s je polumjer na nultoj napetosti. Pozitivni i negativni τ označavaju stres pri povlačenju i pritisak kompresije. Vanjska strana ( r > r s ) i unutarnja strana ( r < r s ) djeluju pri naprezanju od potezanja i pritiska. Međutim, kada lokacija odstupa od gornje lokacije, izvorna se točka pomiče na O ', a polumjer je označen s'. Stres je

Image

Budući da je polumjer zakrivljenosti r s gornjeg mjesta manji od onog na drugim mjestima, površina na gornjem mjestu ima veći stres pri povlačenju nego drugdje. Tako nastaje neujednačeno naprezanje duž žičnih žica. Maksimalni napon pri povlačenju javlja se na gornjoj lokaciji žice potke. Zbog izrazite strukture mrežastog zaslona, ​​razmak između dvije točke maksimalnog naprezanja pri povlačenju iznosi

Image
,

Vidjevši slike 1e i 2, primijetili smo vanjsku silu koja se primjenjuje na žice potke, ali ne i na osnove. Žice i podnožja žice imaju identičan promjer, ali njihovi prostorni rasporedi potpuno su različiti. Žice potke su zakrivljene u smjeru visine membrane, ali osnove su suspendirane paralelno s ravnom bakrenom površinom. Vanjska sila koja se izravno primjenjuje na gornjim mjestima žice potke uzrokuje mikro-deformacije, što rezultira rezidualnim naponom duž žica potke nakon procesa sinteriranja. Međutim, kada se vanjska sila aplicira na mrežasti komad zaslona, ​​središte mase duž različitih aksijalnih mjesta osnove žice će se povući na istoj visini, što bi trebalo biti vrlo malo. Prema tome, ne postoji nikakva deformacija duž warp žica koja bi rezultirala bilo kakvom silom i naprezanjem na warp žicama. Kemijska obrada paketa za sinterovanje u uvjetima zaostalog naprezanja je razlog za formiranje žica potkrovlja-gradijenta.

Žice za površinsko-energetski gradijent

Sinterirani uzorak je oksidirao i modificirao pozivajući se na Chen i sur . 20 i Feng i sur . 21 (Vidi detalje u odjeljku metoda). Slici 3a do f za konačno dobiveni uzorak prikazuju se postupno povećane SEM (skenirajući elektronski mikroskop). Slika 3b ilustrira tipičnu jedinicu područja slike, u kojoj se regije 1, 2, 3 i 4 odnose na područje bakrene podloge, površinu temeljne žice, površinu žice potke koja odstupa od gornjeg mjesta, odnosno gornju lokaciju žice potke. Površina bakrene podloge i podloge od žice su se ponašali kao CuO mikrostruktura i nanorodni nizovi (vidi Sliku 3c, d). Proširene SEM slike pokazuju da mikrocvijet ima promjer 2-5 µm, dok nanorod ima promjer od oko 100 nm.

Image

( a ) mrežasti zaslon, ( b ) četiri regije, ( c ) područje 1 na površini bakra, ( d ) područje 2 na površini osnove žice, ( e ) područje 3 na površini potporne žice koja odstupa od gornjeg mjesta, i ( f ) Područje 4 na gornjoj lokaciji žičane žice, gusto naseljeni nanorodi nalaze se na regiji 3, a mikropokole s malo nanograsa nalaze se na regiji 4.

Slika pune veličine

Zanimljivo je primijetiti različitu mikro / nano strukturu na različitim mjestima žice potke. Područje 3 (vidi Sliku 3e) nalazi se na površini žice potke koja odstupa od gornjeg mjesta. Vidljivo je da se nano-trava ponašaju super-hidrofobne karakteristike. Nano-trave se vide nagnute zbog zakrivljene površine utora. Međutim, Sl. 3f pokazuje da se na gornjem položaju potporne žice (područje 4 na slici 3b) može vidjeti mikro / nano struktura izazvana naprezanjem. Tijekom kemijske obrade uzorka mrežaste platne, gornja lokacija potkane žice se oksidira i formira jame 22, veličine oko 10 μm. Struktura mikro jama s manje nanograsa uzrokuje više „hidrofilnosti“ u odnosu na susjedno područje. 3D uređena mrežasta struktura zaslona formira niz jama uzrokovanih stresom.

Sinteriranje mrežaste sito na bakrenoj podlozi pod vanjskom silom stvara nejednaka zaostala naprezanja duž žica potke nakon sinteriranja. Najveće naprezanje postoji na gornjoj lokaciji žice potke. Oksidacija mrežaste zaslone neujednačenim naprezanjem stvara žice potkrovlja-gradijenta. Nuklearna kapljica odvijat će se na nizu mikro jama na gornjoj lokaciji žičane žice zbog "hidrofilnog" ponašanja povezanog sa susjednim hidrofobnim područjem. Ovo je glavni mehanizam za formiranje uzorka mikro kapljica na mrežnom zaslonu.

Rezultati i rasprava

Samoorganizirani niz mikro / kapljica

Izveden je eksperiment kondenzacije. Na slici 4 prikazan je dinamički proces samoorganizirane nizove kapljica kondenzacije s temperaturom okoline T e = 26 ° C, vlagom zraka RH = 40, 0% i temperaturom rashladne podloge od T sub = 6, 0 ° C. Podfiguracije a, b, d, e, g, h i i prikazuju dinamičke slike s uzastopnom vremenskom razlikom od 15 minuta između susjednih podfiguracija. Podfigure c i f su lokalno povećane slike za b i e, respektivno. Na slici 4j – l prikazan je proces koalescencije kapi u uzastopnom vremenu od 10 ms.

Image

( a, b, d, e, g, h, i ) predstavljaju proces rasta kapi s uzastopnom vremenskom razlikom od 15 minuta, ( c ) za uvećane ( b, f ) za proširene ( e, j, k, l ) predstavljaju koalescencija kad kapi postižu kriterij koalescencije s vremenom slijeda od 10 ms.

Slika pune veličine

Vrijeme t = 0 definirano je kao početak procesa hlađenja (vidi sliku 4a). Na t = 15 min, sićušne kapi pojavile su se na gornjim mjestima potkane žice, ali kapi se rijetko primjećuju na osnove žica (vidi Sliku 4b-c). Oksidacija vlačnih žica s neujednačenim naprezanjem tvori "hidrofilne" jame, koje su tijekom kondenzacije postale mjesta nukleacije kapljica vode. Koalescencija sitnih kapi na gornjoj lokaciji žičane žice stvara samoorganizirani uzorak kapljica (vidi slike 4d, e, g, h i i). Promjer kapljica je D , koji se povećava stalnim hlađenjem na bakrenoj podlozi. Četiri kapljice tvore jedinicu kapljica (vidi sliku 4f).

Image
je udaljenost između dva središta susjednih kapljica i ne mijenja se s vremenom. Maksimalni promjer kapljica je
Image
, iza koje dolazi do koalescencije kapi (vidi Sliku 4j – l). Sličan dinamički postupak samoorganizirane nizove kapljica kondenzacije za vlažnost zraka RH = 60, 0% i temperaturu podloge od T sub = 1, 0 ° C može se naći u Dodatnom filmu 1.

Na slici 5 prikazani su nemodimenzionalni promjeri pada,

Image
, u odnosu na vrijeme hlađenja t , temperaturu hlađenja T sub i vlažnost zraka RH. To se vidi
Image
povećava se za t . Kriterij tranzicije je
Image
ili
Image
, Povećavanje vlažnosti zraka i / ili smanjenje temperature hlađenja T sub ubrzavaju rast kapi. Dobivaju se kvazi jednolike veličine kapljica. Razlika između maksimalnog i minimalnog promjera podijeljena s prosječnom vrijednošću naziva se odstupanjem veličine kapljice, što je za sve testove manje od 8%.

Image

Slika pune veličine

Analiza prijenosa topline

Teorija kondenzacije 23 dala je barijeru minimalne energije jezgre kao

Image

gdje je θ kontaktni kut, γ gl je površinska napetost između plina i tekućine, r min je najmanja veličina jezgre 24, 25 :

Image

gdje je T s temperatura zasićenja para, h lv je latentna toplina isparavanja i T w je temperatura stijenke. Mjesto padova nukleacije preferira se na hidrofilnoj površini, uzrokovano smanjenjem Δ G s padom θ . Gornja lokacija žice potke zadovoljava potrebni uvjet jer je više "hidrofilna" nego drugdje. T w treba biti dovoljno nizak da bi se minimizirala energetska barijera. Analiza prijenosa topline treba (1) provjeriti ima li gornja lokacija žice potke sličnu temperaturu kao i bakrena podloga; (2) procijeniti brzinu prijenosa topline putem žice potke; (3) procijenite brzinu prijenosa topline pomoću warp žice kako biste provjerili je li mnogo manja od one na žičanoj žici. Ako su postignuta tri cilja, u potpunosti razumijemo zašto se preferira da se mjesta nukleacije događaju na gornjim mjestima žičane žice, a osnove žice manje doprinose kondenzaciji.

Slika 6a, b prikazuje tipični niz mikro kapljica na mrežnom zaslonu, što je uzrokovano 3D mrežnom zaslonom i izrazitim performansama topline / tekućine. Jedinica mrežaste zaslone odabrana je za projektnu površinu od ( w + d) 2 , gdje su w i d širina pora i promjer mrežaste žice. I žica za vlakna i temeljna žica izloženi su vlažnom zračnom okruženju s temperaturom od T. Na temelju korelacije 26, procjenjuje se da je prirodni konvektivni koeficijent prijenosa topline h zrak = 22 W / m 2 K bez kondenzacije. Alternativno, prema Ma i sur . 27, koeficijent prijenosa kondenzacijske topline je h zrak, c ~ 1000 W / m 2 K. Biot broj koji se karakterizira kao Bi = h zraka, c d / λ cu = 7, 6 × 10 -4 je mnogo manji od 1, gdje je λ cu je toplinska vodljivost bakra. Stoga su temperature vrlo ujednačene u smjeru radijusa mrežaste žice. Razmatramo samo raspodjelu temperature duž žica osnih mreža. Na slici 6c prikazan je fizički model za analizu prijenosa topline. Osjenčano plavo područje predstavlja zakrivljenu žicu potke, ali crna područja predstavljaju temeljne žice B i C. Zakrivljena vlaknasta žica razvučena je u ravno rebra cilindra promjera d = 101 µm i visine L = 402 µm. Pera cilindra sinterirana je na površini bakrene podloge s temperaturom na dnu T D = T sub . Površina cilindra izložena je vlažnom zraku s temperaturom T e . Warp žice nisu bile u kontaktu s bakrenom supstratom i postoji provodni toplinski otpor (CTR) između osnove i potporne žice (vidi Sl. 6d). Trenutačno ne razmatramo prijenos topline između osnove i potke.

Image

( a ) Fotografija mikro kapljice, ( b ) 3D prikaz mikro kapljice, ( c ) fizički model mrežastog ekrana sintranog na bakrenoj podlozi, ( d ) analiza toplinske otpornosti.

Slika pune veličine

Na osnovu modela 28 za prijenos topline, višak temperature je definiran kao ϕ z = T e - T z , što je

Image

gdje

Image
, Na vrhu peraja je višak temperature

Image

Zamjena h zraka = 22 W / m 2 K ili h zraka, c = 1000 W / m 2 K u m i s L = 402 µm, 1 / ch ( mL ) je jednako 0, 9998, odnosno 0, 9920. Oba 1 / ch ( mL ) pristupaju 1, što ukazuje na vrlo malu temperaturnu razliku između peraja i gornjeg dijela bakra.

Unutar projektnog područja od ( w + d ) 2, brzina prijenosa topline preko površine žice potke je

Image

Primjećujući to u ekv. 7, područje prijenosa topline A potka je π dL , gdje je L visina peraje. Dajući h zraka, c = 1000 W / m 2 K i T e = 26, 0 ° C, Q potka je 3, 16 × 10 −3 W, 2, 53 × 10 −3 W i 1, 89 × 10 −3 W za tri T sub od 1, 0 ° C, 6.0 ° C i 11.0 ° C, respektivno.

Sada razmotrimo brzinu prijenosa topline preko površine debele žice unutar projektnog područja od ( w + d ) 2 . Ključni faktor za određivanje takve brzine prijenosa topline je provodni toplinski otpor (CTR) zraka između osnove i potke (vidi Sl. 6c). Na temelju isprepletenog kontakta između osnove i potke, prosječna debljina filma plina dana je kao

Image

U skladu s tim, CTR je

Image
, što je tri reda veće od provodnog toplinskog otpora osnove žice
Image
, Brzina prijenosa topline preko osnove žice je

Image

gdje

Image
je temperatura na površini žice potke koja dodiruje osnovnu žicu B (vidi Sliku 6d),
Image
, Davanje h zraka = 22 W / m 2 K i T e = 26, 0 ° C, TB je 2, 1 ° C, 6, 9 ° C i 11, 6 ° C za tri T sub od 1, 0 ° C, 6, 0 ° C i 11, 0 ° C, respektivno, Vidljivo je da su temperature osnove žice T B veće od onih na žicama žice. Stoga se poželjno da mjesta nakupljanja kapi nastaju na površini žice potke. Na temelju ekv. 9, Q B ili Q C na površini osnove žice je 2, 02 × 10 −4 W, 1, 62 × 10 −4 W i 1, 21 × 10 −4 W za tri T sub od 1, 0 ° C, 6, 0 ° C i 11, 0 ° C. Q B ili Q C je jedan red manji od Q potke na površini žice potke. Analiza podupire naše opažanje da se na osnove žice vidi manje kapljica (vidi Sliku 4).

Koalescencija kapljica zbog žice potkrovlja-gradijenta

Analizirali smo pad koalescencije duž zakrivljene površine žice potke, što je jedan od mehanizama za formiranje samoorganiziranog kapijskog niza na mrežnom zaslonu. Slika 7a-c prikazuje dva susjedna slijeda koalescencije kapi, bilježeći 1 ms vremenske razlike između dvije slike. Dinamički proces može se naći u Dodatnom filmu 2. Fizička slika prikazana je na slici 7d, na kojoj „veći“ kap A ostaje na gornjoj lokaciji žice potke, dok „manji“ kap B ostaje na susjednom mjestu. Koalescencija dviju kapi se zove „A jede B način“, uzrokovana gradijentom površinske energije žičane žice.

Image

( a, b i c ) su za vremensku razliku od 1 ms, ( d ) prikazuje fizički model koalescencije dvije kapi.

Slika pune veličine

Prvo je razmatrana jedna kap. Pretpostavljajući sferni pad, omjer površinske energije kapljice ( G ) povezane s njegovom gravitacijskom potencijalnom energijom ( W ), K , je

Image

gdje je γ gl površinska sila napetosti između plina i tekućine, ρ l je gustoća tekućine, a g je gravitacijsko ubrzanje. Nakon što je

Image
, γ gl = 72, 6 mN / m, ρ l = 998 kg / m 3, g = 9, 8 m / s 2, K je veći od 695, što ukazuje na manju važnost gravitacijske potencijalne energije ( W ). Dakle, W se ne smatra. Gibbsova besplatna energija je 29

Image

gdje je θ kontaktni kut, S gl i S sl su kontaktno područje plin-tekućina i kontaktno područje čvrsto-tekućina za kap, koji su

Image

Promjer kap D , volumen kap V i kontaktni kut θ imaju sljedeći odnos

Image

Zamjena ekvivalenata 12–13 u jednačina. 11, dobivamo

Image

gdje je f (θ )

Image

Sada razmotrimo koalescenciju dvije kapi. Najviša lokacija žice potke djeluje „hidrofilnije“ u odnosu na susjednu lokaciju. Snimanje gornje lokacije kao HP (hidrofobno, označeno crvenom bojom), a susjedno mjesto kao SHP (superhidrofobno, označeno plavom bojom). Prije koalescencije, kap A ostaje u HP-u s kutom kontakta od θ A, ali pad B ostaje na SHP s kontaktnim kutom od θ B, uz napomenu θ A < θ B (vidi Sl. 8a). Ako kap B ima volumen ε puta pada A ( V B = εV A ). Dvije kapi ukupno imaju Gibbsovu slobodnu energiju

Image

( a ) Prije koalescencije, ( b ) A pojede B kako bi formirao kap C, zadovoljavajući princip minimalne površinske energije, ( c ) nemogući slučaj da "B jede A" do kap D, ne zadovoljavajući princip minimalne površinske energije, HP i SHP znači hidrofobni, odnosno superhidrofobni respektivno.

Slika pune veličine

Image

Primjećujemo da je metastabilno stanje prikazano na slici 8a. Moguće je da pad B u području SHP kreće prema padu A u HP području i da formira kap C (vidi Sliku 8a). Budući da je pad C unutar područja HP, kontaktni kut θ C jednak je θ A. U stabilnom stanju nakon koalescencije, kap C ima Gibbsovu slobodnu energiju

Image

Alternativno, pogledajte Sl. 8c, ako se kap A u HP-ovom području kreće prema padu B u području SHP da bi formirao kap D, Gibbsova energija kapi D je

Image

Jednadžba 18 vrijedi ako pretpostavimo da je kontaktni kut pada D u području SHP θ D još uvijek jednak θ B. Princip minimalne površinske energije 30 odredio je izbor puta između Sl.8b i c. Kako bi se usporedile površinske energije izražene u jednadžbama 16, 17, 18, izvedenica f (θ ) je

Image

F ′ ( θ )> 0 u rasponu od θ ∈ [0, π] rekao nam je da se f (θ ) povećava s povećanjem θ . Uspoređujući jednadžbe 16, 17, 18 daje se G C < G D i G C < G A + G B za odabir putanje prikazanog na slici 8b (nazvanog način "A jede B"). Kap se uvijek kreće prema području više energije kada se stapa s drugom kapom.

Ovdje smo koristili princip minimalne energije da objasnimo zašto se pad automatski pomiče prema gornjoj lokaciji žice potke. Obraćena je pozornost na Gibbsovu površinsku energiju prije i nakon koalescencije kapi, dinamika pada poput brzine povlačenja. Kada kap postane veća, na oblik kapljica utječe geometrija površine. Za sadašnji problem, trodimenzionalna površina žice potke komplicira problem, pa je potrebno dodatno istražiti. Liu i sur . 31 je pokazalo da asimetrija odskočenja dovodi do ~ 40% smanjenja vremena kontakta za pad odskakivanja na zakrivljenoj površini.

Na kraju, raspravljamo o obliku kaplje na zakrivljenim žicama žice. Prikazana Gibbsova analiza površinske energije pomaže nam da shvatimo zašto se sitne kapljice kreću prema gornjoj lokaciji žičane žice, pretpostavljajući sferni oblik krune za kapljice. Analiza je u skladu s našim eksperimentalnim promatranjem kretanja kapi i koalescencije. Praktično, kap može odstupati od savršenog oblika sfere na zakrivljenoj mreži mrežaste žice. Pad na zakrivljenoj površini žičane mreže je kompliciran trodimenzionalni problem, koji uključuje ne samo zakrivljenost duž smjera žice osne mreže, već i zakrivljenost duž pravca obima mrežaste žice. Teorijska analiza problema nije moguća. U budućnosti preporučujemo trodimenzionalnu numeričku simulaciju. Zhao 32 dao je teorijski izraz oblika kapi za dvodimenzionalni simetrični problem, kao što je interakcija kapljica s ravnom površinom zida i simetrična konveksna ili konkavna čvrsta površina zida.

Zaključci i perspektiva

Stvaranje mikro kapljica niza na velikoj metalnoj površini je izazovno pitanje. Izviješten je o novom sustavu mikro kapljica koristeći multidisciplinarno znanje iz mehanike, znanosti o materijalima i toplini / fluidima. Mrežni zaslon sinteriran je na bakrenoj podlozi primjenom specifičnog tlaka vezivanja. Mrežni zaslon je komercijalni i jeftini materijal koji ima pore na mreži mikrona za veliku upotrebu. Struktura je periodična, te čini osnovu za stvaranje kapljicnih niza. Neujednačeno zaostalo naprezanje postoji duž zakrivljenih žica korita nakon sinteriranja kada se ukloni vanjska sila. Postoje tri mehanizma za pad jezgra i rast na gornjim mjestima potkane žice: (1) Gornja mjesta potporne žice su više „hidrofilna“ u odnosu na susjedno područje. (2) Gornja mjesta potporne žice približavaju se najhladnijoj temperaturi na bakrenoj podlozi. Međutim, temperatura temeljne žice viša je od žice potke. Osnove žice manje doprinose kondenzaciji, ali djeluju kao noseća konstrukcija. (3) Koalescencija kapi nastaje duž zakrivljene površine žice potke zbog gradijenta površine-energije.

Koncept generacije kapljica na mrežnom zaslonu može imati mnogo primjena. Na primjer, kondenzacija u kapljicama na čvrstim zidovima posjeduje slučajnu nukleaciju i rast, na nekontroliran način. Zaslonski mrežasti zaslon na bakrenom zidu ne samo da proširuje područje prijenosa topline, nego također čini kondenzaciju na kontrolirani način da modulira performanse, što je važno za precizne primjene temperature. Još jedna potencijalna primjena je za inženjerstvo okoliša. Teško je sakupiti ultrafine čestice prašine iz velikog prostora kako bi zrak bio čist. Izviješteno je da studija pokazuje da apsorbira sitne čestice električnim jednostrukim kapom 33 . Sadašnji rad pruža nov način apsorbiranja sitnih čestica prašine u kapi za zaštitu okoliša za veliku upotrebu.

Budući da modulacija kapi ima široku primjenu u strojarskom, električnom, optičkom i biološkom inženjerstvu, dinamika kapljica dobila je veliku pažnju. Chen i sur . 34 proučavalo je dinamičko poligonalno širenje kapljica na površini srušenoj na liofilnom stupu i pokazuje da njihovi rezultati mogu proširiti naše znanje o dinamici tekućina na površinama s uzorkom i pomoći oblikovanju površine u praktičnim primjenama. Mrežni zaslon komercijalni je materijal s mikro rupama za veliku upotrebu. Mrežni zaslon proširit će svoje funkcije uz pomoć modifikacije nano-strukture na površini. Postoje interaktivni fenomeni i mehanizmi koje treba istražiti na interakcijama između kapljica i mrežastih zaslona temeljenih na mikro / nano strukturi. Perspektivni pravci istraživanja su: (1) dinamika kapljica na mrežnim zaslonskim mikro / nano strukturama, uključujući udar, širenje, odskakanje i koalescenciju, (2) utjecaj vanjskog polja poput električnog i magnetskog polja na dinamiku pada, (3 ) utjecaj prijenosa topline na dinamiku kapanja i (4) eksperimentalne i numeričke studije visoke rezolucije na dinamiku padanja.

metode

Zaslon za sinterovanje na bakrenom bloku

Mrežni zaslon s prečnikom mrežaste žice 101 µm i pravokutnom širinom pora od 152 µm odabran je za sinteriranje na bakrenom bloku cilindra promjera 30 mm i visine 20 mm. Prije napredovanja sinteriranja, komad mrežastih zaslona pripremljen je da ima ravnu veličinu kao onaj bakrene podloge. Bakreni blok cilindra pažljivo je obrađen i poliran finim brusnim papirom. Zatim su i bakreni blok i mrežasti sito uzastopno očišćeni ultrazvučno pobuđenim otopinama aceton i etanol kako bi se očistilo onečišćenje uljem. Zaslon sa osušenom mrežicom postavlja se na vrh bakrene podloge. Dvije komponente se međusobno spajaju nametanjem vanjske sile koju stvara grafitni kalup i težine od 1 kg. Sve komponente šalju se u pećnicu za sinteriranje. Postupak sinteriranja opisan je kako slijedi. U početku se pećnica usisava na apsolutni tlak od 1 kPa. Zatim se dušični plin ( N2 ) napuni u pećnicu da ima tlak 0, 5 bara. U zaštitnom okruženju N2 , uzorak je sinteriran na temperaturi od 850 ° C jedan sat. Zatim se isključivanjem pećnice temperatura pećnice automatski smanjuje na 30 ° C za 24 sata.

Oksidacija i polimerna modifikacija sinteriranog uzorka

Sinterirani uzorak oksidirao je vodenom otopinom 2, 5 mol / L natrijevog hidroksida i 0, 1 mol / L amonijevog persulfata na sobnoj temperaturi oko 12 minuta, tijekom kojih se tekućina miješala magnetskom miješalicom brzinom od 500 r / min. Sinterirani uzorak izvađen je iz otopine i potpuno ispran deioniziranom vodom. Zatim je uzorak ispečen u pećnici na temperaturi od 180 ° C 2 sata. Konačno, oksidirani uzorak je uronjen u 0, 5 mas.% Heksan otopine 1H , 1H , 2H , 2H- perfluorodecil - tetoksisilana (FAS17, Alfa Aesar). Vrijeme reakcije bilo je oko 2 sata uz pomoć magnetske miješalice. Uzorak je spreman za upotrebu nakon sušenja u peći na temperaturi od 110 ° C tijekom 1 sata.

Pojedinosti eksperimenta

The condensation experiment was performed under constant environment temperature T e = 26 °C. The air humidity RH was also controlled as RH = 40% or RH = 60.0% by a wet steam humidifier and recorded by a humidity meter. The copper substrate (test section) was put on a cooling block, inside which the chiller water was flowing through. The temperature at the copper substrate surface T sub was measured by a thermocouple and recorded by a temperature recorder. The copper substrate surface T sub was changed to 1.0 °C, 6.0 °C or 11.0 °C by adjusting the chiller water bath temperature. In such a way, micro droplet array was generated on mesh screen surface under different working conditions. The dynamic growing process of the self-organized condensation droplet array was observed by an optical measurement system, which was included a microscope (SMZ1500, Nikon) bonded with a high speed camera (Motion pro Y4, IDT). The image file was transferred into a computer. The image size covered the pixels of 1016 × 1016. At the maximum optical amplification ratio of 16, the visualization size was 770 μm. Thus, the minimum size resolution was 0.76 μm. During the experiment, the visualization area could be changed manually.

Dodatna informacija

PDF datoteke

  1. 1.

    Dodatna informacija

Video

  1. 1.

    Dopunski film 1

  2. 2.

    Dopunski film 2

komentari

Slanjem komentara slažete se s našim Uvjetima i smjernicama zajednice. Ako ustanovite da je nešto zloupotrebno ili nije u skladu s našim uvjetima ili smjernicama, označite to kao neprimjereno.