Generació a gran escala de matrius de micro-gotetes mitjançant condensació de vapor a la pantalla de malla | informes científics

Generació a gran escala de matrius de micro-gotetes mitjançant condensació de vapor a la pantalla de malla | informes científics

Anonim

Temes

  • Transicions de fase i fenòmens crítics
  • Superfícies, interfícies i pel·lícules primes

Resum

Hem desenvolupat un nou sistema de matrius de micro-gotes, que es basa en l'estructura de pantalla tridimensional de malla i el rendiment de fluids tèrmics induïts per la sinterització i l'oxidació. La pantalla de malla es va sinteritzar sobre un substrat de coure enllaçant els dos components. La tensió de residu no uniforme es genera al llarg dels cables de trama, amb una major tensió a la ubicació superior del filferro que en altres llocs. L’oxidació del paquet sinteritzat forma micro fosses amb poques nanogrames a la ubicació superior del filferro, a causa del mecanisme de corrosió de la tensió. Les nanograsses creixen en altres llocs per mostrar un comportament hidrofòbic. Així, es formen cables de trama amb un degradat energètic superficial. Refredar l’estructura en un ambient d’aire humit nuclea gotes d’aigua a la ubicació superior del filferro de trama, que és més “hidròfila” que en altres llocs. La mida de les gotes està ben controlada per la temperatura del substrat, la humitat de l’aire i el temps de refredament. Com que els cables d'ordit no entren en contacte amb el substrat de coure i hi ha una resistència tèrmica conductora més gran entre el fil d’ordit i el fil de trama, els cables d’ordit contribueixen menys a la condensació, però funcionen com a estructura de suport. L’anàlisi de l’energia superficial de les gotes al llarg dels cables de trama explica per què es pot generar una matriu de gotes a la peça de malla. Com que s'utilitza el material comercial, el sistema de gotes és rendible i es pot utilitzar per a la utilització a gran escala.

Introducció

La matriu de gotes micro / nano té moltes aplicacions d'enginyeria. Per exemple, Zhu et al . va informar sobre un mètode basat en matrius de gotes nanolítriques per quantificar l'expressió gènica en cèl·lules individuals 1, 2 . Mitjançant la impressió seqüencial de gotes a escala nanoliter en un robot microfluídic, es poden aconseguir automàticament totes les operacions de manipulació de líquids, incloent encapsulament cel·lular, lisi, transcripció inversa i PCR quantitativa amb detecció de fluorescència en temps real. El sistema microfluídic basat en gotetes es va utilitzar per obtenir l'efecte de la lent mitjançant una capa líquida fina sobre un cristall polar elèctric com LiNbO 3 3 . Es va generar una matriu de micro-lents líquides per efecte d’energia electrica en cristalls de pols periòdics piroelèctrics. Un sensor tàctil de tipus capacitiu utilitza una matriu de gotes de metall líquid (LM) 4 . El microsistema té tres components, incloent-hi una fina capa de pel·lícula d’òxid modelada amb elèctrodes, una cambra de polidimetilsiloxà en forma de piràmide (PDMS) que conté gotetes LM i una membrana superior amb un elèctrode. Es pot canviar l’àrea de solapament entre la goteta LM i un elèctrode de fons pla per modular la capacitat del sensor.

Es pot trobar una matriu de gotes autoorganitzada en bioenginyeria per a maneig de mostres, proves i anàlisis, enginyeria òptica per a la construcció d’imatges i indústries electròniques. La modulació del creixement de la caiguda i el moviment ha avançat en els darrers anys. He et al . 5 va informar sobre un mètode d’eliminació d’alta eficiència per a les gotes d’aigua condensada amb superfícies d’alumini porós estructurat jeràrquicament. Zhang et al . 6 mostra que els angles de contacte de caiguda poden ser determinats per l’estructura local de superfícies heterogènies. Lv et al . 7 van demostrar les estratègies inspirades en bio per a la lluita contra el gel. Zhang et al . 8 es van investigar els salts millorats de gotes d'aigua condensada per superfícies antigivatge. Liu et al . 9 salts autopropulsats de gotes autopropulsades al llarg d'una direcció prescrita sobre una superfície superhidrofòbia micro-anisotròpica. Observem que les gotes poden modular-se en un sistema tancat. Huang et al . 10 van demostrar la formació in situ d’emulsions mitjançant taps d’aire controlat. Alternativament, també es poden generar gotetes i modular-les en un entorn obert. Hou et al . 11 va mostrar la formació espacial de gotetes sobre una superfície híbrida hidròfica / superhidrofòbia.

La generació i modulació de gotetes es basa en un sistema micro / nano. El material del substrat d’aquests sistemes és el silici 12, el vidre 13 i el PDMS 14 . Aquests sistemes tenen una naturalesa comuna de mida compacta. La mida general del xip és a una escala de ~ mm-cm. La fabricació per lots de microsistemes és útil per reduir el cost de fabricació. La generació de matrius de gotes micro / nano en una gran superfície és un problema. Com podem produir una matriu de gotes de micro / nano en una superfície metàl·lica a escala m 2 ? Les tècniques de formació de patrons de gotes per a microsistemes són difícils d’introduir per a l’ús a gran escala. El cost s'incrementarà significativament quan es traslladi la tècnica de generació de gotes basada en microsistema a ús a gran escala. L’enginyeria mecànica necessita tal requisit. Si una màquina hidrofílica en punts de coure super-hidrofòbic a gran escala, es millora la transferència de calor per condensació a causa de la inundació de líquids retardada a la superfície 15 . Fa molt poc, Yoo et al . va assenyalar que les gotes d'aigua periòdiques sobre una superfície metàl·lica es poden utilitzar per absorbir ones electromagnètiques, cosa que resulta atractiva per al combat militar, el tanc i el vaixell de guerra per evitar la detecció del radar 16 .

Aquí, es va informar d'un nou mecanisme de micro-gotetes a gran escala a la superfície metàl·lica mitjançant condensació a gotes. El dispositiu funciona en funció de les diferents estructures de pantalla tridimensional (3D) de malla, sinteritzada sobre un substrat de coure. Només la part inferior dels cables de trama es solda sobre el substrat de coure, provocant una tensió de residu no uniforme al llarg de cables corbats de trama. Els costats exteriors i interiors dels cables de trama presenten esforços de tracció i compressió, respectivament. La tensió és més gran a la ubicació superior del filferro que en altres llocs. Quan l’estructura sinteritzada s’oxida, existeixen forats de mida micra i no hi ha moltes nano-herbes a la zona superior del filferro per la sobreexidació que hi ha. Les nanes herbades creixen en altres localitzacions de cables de trama per mostrar un comportament hidrofòbic. Així, de forma periòdica, es formen nous filferros de trama amb degradats en energia de superfície. Paquet de refrigeració del substrat de coure i de malla en un ambient humit i amb gotes d'aigua nucleades a la ubicació superior del filferro de trama, més hidrofílica que altres llocs. El canvi de temperatura de l'aigua de refrigeració, el temps de refredament o la humilitat de l'aire modulen la mida de les gotes. Els cables de deformació tenien temperatures més altes que els de trama, de manera que la nucleació de les gotes sol passar als cables de l’ordit. Com que el material (pantalla de coure i malla) es comercialitza i la tècnica de sinterització madura, el dispositiu és barat i adequat per a la generació a gran escala de matrius de gotes.

Esforços no uniformes al llarg de cables de trama

La preparació de la secció de prova consisteix en dos passos: sinteritzar una peça de malla sobre un substrat de coure i modificar la superfície de la secció de prova per crear una estructura micro / nano. La figura 1 mostra el procés de sinterització abans de l’oxidació. La pantalla de malla de coure és àmpliament utilitzada en indústries com les canonades de calor 17 i el separador de gas-líquid 18 . El diàmetre del fil de malla és d i l'amplada rectangular del por és w (d = 101 μm i w = 152 μm aquí, vegeu Fig. 1a). Les diferents estructures tridimensionals consisteixen en cables de deformació rectes i cables de trama corbats. Dit d'una altra manera, la pantalla de malla tenia cables de trama paral·lels i corbats, separats per cables d'ordit rectes, periòdicament. Un bloc de cilindres de coure amb un diàmetre de 30 mm i una alçada de 20 mm va ser mecanitzat i polititzat amb cura mitjançant paper abrasiu fi (vegeu Fig. 1b).

Image

( a ) Pantalla de malla, ( b ) substrat de coure, ( c ) unió dels dos components aplicant força externa, ( d ) Pantalla de malla sinteritzada sobre el substrat de coure, ( e ) estructura de la secció de prova ampliada abans de l'oxidació.

Imatge a mida completa

La pantalla de malla es posa a la part superior del substrat de coure. Els dos components s’uneixen entre si imposant una força externa generada per un motlle de grafit i un pes d’1 kg (vegeu Fig. 1c). L’estrès per compressió induït pel pes és important per mantenir el contacte estret entre la pantalla de malla i el substrat de coure. Això també garanteix la soldadura en zona local (no un punt de soldadura) de cables de trama amb el substrat de coure, mantenint temperatures relativament uniformes entre cables de trama i bloc de coure. La figura 1d mostra la secció de prova després de sinteritzar. L'estructura 3D ampliada es va mostrar a la figura 1e, destacant que la part inferior dels cables de trama es solda amb substrat de coure. Els cables d'ordit queden en suspensió en l'entorn de l'aire, però separen els cables de trama periòdicament com a estructura de suport.

El procés de sinterització amb força externa aplicada va provocar tensions no uniformes al llarg de cables corbats de trama. La figura 2a mostra una pantalla de malla en una superfície plana sense força externa i comporta un contacte puntual entre elles. Quan apliquem una força externa com ara 1 kg a la peça de malla, els punts AB inicialment suspesos (vegeu la figura 2a) entren en contacte amb la superfície plana a causa de la deformació suau del material (vegeu la figura 2b). De forma corresponent, l'alçada de la pantalla de malla canvia de H a H - δ indicant una deformació in en la direcció de l'alçada. Quan es va eliminar la força externa (pes) de la pantalla de la malla, es produeix l'estrès del residu. La figura 2c mostra una secció central del filferro de trama, separada periòdicament per cables de deformació paral·lels després del procés de sinterització. Primerament es va parar atenció a la ubicació superior del filferro. Es va establir un sistema de coordenades com O com el punt original i r com a índex de radi. L’estrès s’expressa com a 19

Image

( a ) Pantalla de malla al substrat de coure abans d'aplicar força externa, ( b ) malla deformació feble després d'aplicar força externa, ( c ) anàlisi de tensió a la zona superior i en un altre lloc desviant-se de la zona superior després del procés de sinterització quan el pes era eliminat

Imatge a mida completa

Image

on E és el mòdul d'elasticitat, r s és el radi a la tensió zero. El positiu i el negatiu τ indiquen l'estrès de tracció i la tensió de compressió, respectivament. El costat exterior ( r > r s ) i el costat interior ( r < r s ) comporten esforços de tracció i compressió, respectivament. No obstant això, quan la ubicació es desvia de la ubicació superior, el punt original es desplaça a O ′ i el radi està marcat per r ′. L’estrès ho és

Image

Com que el radi de curvatura r s a la ubicació superior és menor que la d’altres ubicacions, la superfície de la ubicació superior té una tensió més gran que altres llocs. Es forma així una tensió no uniforme al llarg de cables de trama. El màxim esforç de tracció es produeix a la ubicació superior del filferro. A causa de la distinta estructura de la pantalla de malla, la distància entre dos punts màxims de tensió de tracció és de

Image
.

Veient les figures 1e i 2, vam observar la força externa aplicada als cables de trama però no als cables d’ordit. Els cables de trama i ordit tenen un diàmetre idèntic, però els seus arranjaments espacials són totalment diferents. Els fils de trama es corben en la direcció de l'altura de la membrana, però els fils d'ordit queden en paral·lel a la superfície plana del coure. La força externa aplicada directament a les ubicacions superiors del filferro provoca una micro-deformació, generant una tensió residual al llarg dels cables de trama després del procés de sinterització. No obstant això, quan s'apliqui la força externa a la peça de malla, el centre de la massa al llarg de diferents llocs axials del filferro de l'ordit s'enderrocarà a la mateixa alçada, que ha de ser molt petita. Així, no hi ha cap deformació al llarg dels cables d'ordit per produir cap força i estrès en els cables d'ordit. El tractament químic del paquet de sinterització en condicions de tensió residual és la raó per formar fils de trama en degradació d'energia superficial.

Cables de trama que degraden energia en superfície

La mostra sinteritzada es va oxidar i modificar fent referència a Chen et al . 20 i Feng et al . 21 (Vegeu detalls a la secció de mètodes). A la figura 3a a f es mostra una imatge SEM (microscopi electrònic d’escaneig) gradualment ampliat per a la mostra finalment obtinguda. La figura 3b il·lustra una unitat típica de l’àrea imaginada, en la qual les regions 1, 2, 3 i 4 es referien a l’àrea del substrat de coure, l’àrea de la superfície del filferro, la superfície del fil de trama desviant-se de la ubicació superior i la ubicació superior del filferro, respectivament. El substrat de coure i la superfície de filferro de l’ordit es van comportar en una microestructura de nano i en forma de cuo en forma de flors de CuO (vegeu la figura 3c, d). Les imatges SEM ampliades mostren que la micro-flor té un diàmetre de 2-5 μm mentre que el nanorod té un diàmetre d’uns 100 nm.

Image

( a ) Pantalla de malla, ( b ) quatre regions, ( c ) regió 1 de la superfície de coure, ( d ) regió 2 de la superfície de fil de deformació, ( e ) regió 3 de la superfície de filferro de trama que es desvia de la ubicació superior i ( f ) la regió 4 a la ubicació superior del filferro de trama, els nanorodes densament poblats es troben a la regió 3 i els micro-fosses amb pocs nanogrames es troben a la regió 4, respectivament.

Imatge a mida completa

És interessant assenyalar diferents estructures de micro / nano en diferents llocs de filferro. La regió 3 (vegeu Fig. 3e) està situada a la superfície del fil de trama desviant-se de la ubicació superior. Es considera que la densitat de nanofertats comporta la característica super-hidrofòbica. Nano-gramínies s'inclina a causa de la superfície corbada de trama. Tanmateix, la figura 3f mostra que, a la ubicació superior del filferro de trama (regió 4 de la figura 3b), es pot observar l'estructura de micro / nano induïda per la tensió. Durant el tractament químic de la mostra de la pantalla de malla, la ubicació de la part superior del fil de trama s’oxida massa per formar fosses 22, amb una mida de ~ 10 μm. L’estructura de micro-fosses amb menys nanograsses causa més “hidròfils” que la seva zona veïna. L'estructura de pantalla de malla ordenada en 3D forma la matriu de fosses induïda per l'estrès.

La pantalla de malla sinteritzada sobre substrat de coure amb força externa forma esforços residuals no uniformes al llarg dels cables de trama després de la sinterització. Hi ha una tensió màxima a la ubicació superior del cable de trama. L’oxidació de la pantalla de malla amb una tensió no uniforme genera cables de trama en degradació d’energia superficial. La nucleació de les gotetes es produirà en una matriu de micro-fosses a la part superior del filferro de trama a causa del comportament "hidròfil" relacionat amb la zona hidrofòbia veïna. Aquest és el mecanisme principal per formar un patró de micro gotes a la pantalla de malla.

Resultats i discussió

Matriu de micro-gotes autoorganitzada

Es va realitzar l’experiment de condensació. La figura 4 mostra el procés dinàmic de la matriu de gotes de condensació autoorganitzada amb temperatura ambient de T e = 26 ° C, humitat de l'aire de RH = 40, 0% i temperatura del substrat de refrigeració de T sub = 6, 0 ° C. Les subfigures de a, b, d, e, g, h i i il·lustren les imatges dinàmiques amb una diferència de temps consecutiva de 15 minuts entre subfigures veïnes. Les subfigures de c i f són imatges ampliades localment per a b i e, respectivament. La figura 4j – l mostra el procés de la coalescència amb un temps consecutiu de 10 ms.

Image

( a, b, d, e, g, h, i ) Representar el procés de creixement de la caiguda amb una diferència de temps consecutiva de 15 minuts, ( c ) per a l'ampliat ( b, f ) per a l'ampliat ( e, j, k, l ) representar el coalescència quan les gotes assoleixen el criteri de coalescència amb un temps de seqüència de 10 ms.

Imatge a mida completa

El temps t = 0 es defineix com l’inici del procés de refrigeració (vegeu Fig. 4a). A t = 15 min, van aparèixer gotes minúscules a les ubicacions de la part superior del filferro de la trama, però rarament s’observen gotes als cables d’ordit (vegeu Fig. 4b – c). L’oxidació de cables de trama amb estrès no uniforme forma àrees de fosses “hidròfiles”, que es van convertir en llocs de nucleació de la gota d’aigua durant la condensació. La coalescència de petites gotes a la ubicació superior del filferro de trama generen un patró de matrícules de gotes autoorganitzades (vegeu la Fig. 4d, e, g, h i i). El diàmetre de la gota és D , que s’incrementa mitjançant un refredament continu del substrat de coure. Quatre gotetes formen una unitat de matriu de gotes (vegeu Fig. 4f).

Image
és la distància entre dos centres de gotes veïnes i no canvia amb el temps. El diàmetre màxim de gotes és
Image
, més enllà de la qual es produeix la coalescència de caiguda (vegeu Fig. 4j – l). El procés dinàmic similar de la matriu de gotes de condensació autoorganitzada per a la humitat de l'aire de RH = 60, 0% i la temperatura del substrat de T sub = 1, 0 ° C es pot trobar a la pel·lícula Suplementària 1.

La figura 5 mostra diàmetres de caiguda no dimensionals,

Image
, respecte al temps de refredament t , temperatura de refrigeració T sub i humilitat de l’aire RH. Es veu que
Image
s’incrementa en t . El criteri de transició és
Image
o
Image
. L’augment de la humitat de l’aire RH , i / o la disminució de la temperatura de refrigeració T sub, acceleren el creixement de la caiguda. S'obtenen mides de caiguda quasi uniformes. La diferència entre els diàmetres màxims i mínims dividits pel valor mitjà s'anomena desviació de la mida de la caiguda, que és inferior al 8% per a totes les proves.

Image

Imatge a mida completa

Anàlisi de la transferència de calor

La teoria de condensació 23 va donar la barrera energètica mínima de nucleació com

Image

on θ és l'angle de contacte, γ gl és la tensió superficial entre gas i líquid, r min és la mida mínima de nucleació 24, 25 :

Image

on T s és la temperatura de saturació del vapor, h lv és la calor latent d’evaporació i T w és la temperatura de la paret. El lloc de nucleació de la gota es prefereix que es produeixi a la superfície hidròfila, causada per la disminució de Δ G amb disminució de θ . La ubicació superior del cable de trama compleix les condicions necessàries perquè és més "hidròfila" que en altres llocs. T w hauria de ser prou baix per minimitzar la barrera energètica. L’anàlisi de transferència de calor consisteix en (1) verificar si la ubicació superior del filferro té una temperatura similar a la del substrat de coure; (2) estimar la velocitat de transferència de calor mitjançant cable de trama; (3) avaluar la velocitat de transferència de calor mitjançant el fil d’ordit per veure si és molt menor que la del filferro. Si s’aconsegueixen els tres objectius, entenem plenament per què es prefereix que els llocs de nucleació es produeixin a les ubicacions superiors del filferro de trama i els cables d’ordit contribueixen menys a la condensació.

La figura 6a, b mostra una matriu típica de micro-gotes a la pantalla de malla, causada per l'estructura de la pantalla de malla 3D i pel rendiment tèrmic / fluït distint. Es va seleccionar una unitat de pantalla de malla per tenir una àrea de projecte de ( w + d) 2 , on w i d tenen l'amplada de por i el diàmetre del filferro de la malla, respectivament. Tant el fil de trama com el fil d’ordit estan exposats a un ambient d’aire humit amb una temperatura de T e . Segons la correlació 26, es calcula que el coeficient de transferència de calor convectiu de la natura és h aire = 22 W / m 2 K sense condensació. Alternativament, segons Ma et al . 27, el coeficient de transferència de calor de condensació és h aire, c ~ 1000 W / m 2 K. El nombre de Biot caracteritzat com a Bi = h aire, c d / λ cu = 7, 6 × 10 −4 és molt menor que 1, on λ cu és la conductivitat tèrmica del coure. Així, les temperatures són molt uniformes en direcció al radi de filferro. Només considerem la distribució de la temperatura al llarg de cables de malla axial. La figura 6c mostra un model físic per a l’anàlisi de transferència de calor. L’àrea blava ombrejada representa el filferro de trama corba, però les àrees negres representen els cables B i C. El filferro corbat es va estirar en una aleta de cilindre recta amb el seu diàmetre de d = 101 μm i una altura de L = 402 μm. L’aleta del cilindre es va sinteritzar a la superfície del substrat de coure amb la seva temperatura inferior de T D = T. La superfície del cilindre s’exposa a l’aire humit amb la temperatura de T e . Els cables d'ordit no van contactar amb el substrat de coure i hi ha una resistència tèrmica conductiva (CTR) entre el fil d'ordit i el fil de trama (vegeu la Fig. 6d). Actualment, no considerem la transferència de calor entre cables d’ordit i trama.

Image

( a ) Foto de la matriu de micro-gotes, ( b ) Vista 3D de la matriu de micro-gotes, ( c ) model físic de pantalla de malla sinteritzada sobre substrat de coure, ( d ) anàlisi de resistència tèrmica.

Imatge a mida completa

Basat en el model de transferència de calor de l’aleta 28, l’excés de temperatura es defineix com ϕ z = T e - T z , que és

Image

on

Image
. A la part superior de l’aleta, l’excés de temperatura és

Image

Substituint h aire = 22 W / m 2 K o h aire, c = 1000 W / m 2 K en m i amb L = 402 μm, 1 / ch ( mL ) és igual a 0, 9998 i 0, 9920, respectivament. Ambdós 1 / ch ( mL ) s’aproximen a 1, cosa que indica una diferència de temperatura molt petita entre la part superior d’aleta i el substrat de coure.

Dins d'una àrea de projecte ( w + d ) 2, la velocitat de transferència de calor a través de la superfície del filferro és

Image

Notant que a l’Eq. 7, l’àrea de transferència de calor Una trama és π dL , on L és l’alçada de l’aleta. A l' aire h , c = 1000 W / m 2 K i T e = 26, 0 ° C, la trama Q és de 3, 16 × 10 −3 W, 2, 53 × 10 −3 W i 1, 89 × 10 − W per a tres T sub 1, 0. ° C, 6, 0 ° C i 11, 0 ° C, respectivament.

Ara considerem la velocitat de transferència de calor a través de la superfície del fil d’ordenació dins de l’àrea del projecte de ( w + d ) 2 . El factor clau per determinar aquesta velocitat de transferència de calor és la resistència tèrmica conductora (CTR) de l’aire entre cables d’ordit i trama (vegeu Fig. 6c). A partir del contacte entrecreuat entre cables d'ordit i trama, es va obtenir el gruix mitjà de pel·lícula de gas

Image

Correspondentment, el CTR és

Image
, que és tres ordres més gran que la resistència tèrmica conductor del fil d’ordit
Image
. La velocitat de transferència de calor a través de la superfície del fil d’ordit és de

Image

on

Image
és la temperatura a la superfície del fil de trama que contacta amb el fil d’ordit B (vegeu la Fig. 6d),
Image
. Es produeix aire h = 22 W / m 2 K i T e = 26, 0 ° C, T B és de 2, 1 ° C, 6, 9 ° C i 11, 6 ° C per a tres T sub 1, 0 ° C, 6, 0 ° C i 11, 0 ° C, respectivament. . Es veu que les temperatures T B del fil d’ordit són superiors a les dels cables de trama. Així, es prefereix que els llocs de nucleació de gota es produeixin a la superfície del filferro. Basat en laq. 9, Q B o Q C a la superfície del filferro de l’ordit és de 2, 02 × 10 −4 W, 1, 62 × 10 −4 W i 1, 21 × 10 −4 W per a tres T sub 1, 0 º C, 6, 0 º C i 11, 0 º C. Q B o Q C és una ordre més petita que la trama Q a la superfície del filferro de trama. L'anàlisi confirma la nostra observació que es veuen menys gotetes als cables d'ordit (vegeu Fig. 4).

Coalescència de gotetes a causa dels filferres de trama amb un gradient d'energia superficial

Es va analitzar la coalescència de caiguda al llarg de la superfície corrent del filferro de trama, que és un dels mecanismes per formar una matriu de gota autoorganitzada a la pantalla de malla. La figura 7a – c mostra dues seqüències de coalescència de gotes veïnes, notant 1 ms de la diferència de temps entre dues imatges. El procés dinàmic es pot trobar a la pel·lícula suplementària 2. La imatge física es mostra a la figura 7d, en què una gota A "més gran" es queda a la ubicació superior del filferro, però una gota B més petita es queda a la ubicació veïna. La coalescència de les dues gotes s'anomena "mode A B", causada pel gradient d'energia superficial del filferro de trama.

Image

( a, b i c ) són per diferència de temps d'1 ms, ( d ) mostra el model físic de dues gotes de coalescència.

Imatge a mida completa

Una sola gota es va considerar primer. Si suposem una caiguda esfèrica, la relació d'una energia superficial de la gota ( G ) relacionada amb la seva energia potencial gravitatòria ( W ), K , és

Image

on γ gl és la força de tensió superficial entre gas i líquid, ρ l és la densitat de líquid i g és l’acceleració de gravetat. Haver

Image
, γ gl = 72, 6 mN / m, ρ l = 998 kg / m 3, g = 9, 8 m / s 2, K és més gran que 695, cosa que indica menys importància de l'energia potencial gravitatòria ( W ). Per tant, W no es considera. L’energia lliure de Gibbs és de 29

Image

on θ és l'angle de contacte, S gl i S sl són l'àrea de contacte gas-líquid i àrea de contacte sòlid-líquid per a una gota, que són

Image

El diàmetre de gota D , el volum de caiguda V i l’angle de contacte θ tenen la relació següent

Image

Substituint les preguntes 12–13 a l’Eq. 11, obtenim

Image

on f (θ ) és

Image

Ara tenim en compte dues gotes de coalescència. La ubicació superior del filferro es comporta més “hidròfila” en comparació amb la seva ubicació veïna. Grava la ubicació superior com a HP (hidròfoba, marcada pel color vermell) i la seva ubicació veïna com a SHP (super-hidrofòbic, marcat pel color blau). Abans de la coalescència, la gota A es manté a HP amb l’angle de contacte de θ A, però la gota B es manté a SHP amb l’angle de contacte de θ B, destacant θ A < θ B (vegeu Fig. 8a). Si la gota B té un volum de ε vegades de la gota A ( V B = εV A ). Totalment, les dues gotes tenen l’energia lliure de Gibbs

Image

( a ) Abans de la coalescència, ( b ) A menja B per formar la gota C, que satisfà el principi d’energia superficial mínima, ( c ) cas impossible per a “B menja A” a des de la gota D, que no satisfà el principi d’energia superficial mínima, HP i SHP significa hidrofòbic i super-hidrofòbic, respectivament.

Imatge a mida completa

Image

Notem l’estat metastable que es mostra a la Fig. 8a Possiblement, la gota B a l’àrea SHP es desplaça cap a la gota A a l’àrea HP per formar la gota C (vegeu Fig. 8a). Com que la gota C es troba dins de l’àrea HP, l’angle de contacte θ C és igual a θ A. En estat estacionari després de la coalescència, la gota C té l’energia lliure de Gibbs

Image

Alternativament, vegeu la figura 8c, si la gota A a l'àrea HP es desplaça cap a la gota B a l'àrea SHP per formar la gota D, l'energia lliure de Gibbs de la gota D és

Image

L’equació 18 és vàlida suposant que l’angle de contacte de la gota D a l’àrea SHP θ D segueix igual a θ B. El principi d’energia superficial mínima 30 va determinar l’elecció de la ruta entre Fig.8b i c. Per comparar les energies de superfície expressades a les preguntes 16, 17, 18, la derivada de f (θ ) és

Image

La f ′ ( θ )> 0 en el rang de θ ∈ [0, π] ens va dir que f (θ ) augmenta amb augment de θ . Si comparem les preguntes 16, 17, 18, obtenim G C < G D i G C < G A + G B per triar la ruta que es mostra a la figura 8b (anomenada mode "A come B"). La caiguda sempre es desplaça cap a la zona d’energia superior quan es fusiona amb una altra baixada.

Aquí, hem utilitzat el principi d'energia mínima per explicar per què la caiguda es desplaça automàticament cap a la ubicació superior del filferro de trama. No es té en compte l’energia superficial de Gibbs abans i després de la coalescència de la caiguda, no es considera la dinàmica de caiguda com la velocitat de retracció. Quan la gota es fa més gran, la forma de la gota està influenciada per la geometria superficial. Per al problema actual, la superfície tridimensional del fil de trama complica el problema, cosa que necessita una investigació posterior. Liu et al . 31 van demostrar que l'asimetria del rebot comporta una reducció del ~ 40% del temps de contacte per rebotar la caiguda a la superfície corba.

Finalment, es discuteix la forma de caiguda dels cables corbats de trama. L’anàlisi de l’energia superficial de Gibbs presentada ens ajuda a comprendre per què les gotes petites es mouen cap a la ubicació superior del filferro de la trama, assumint la forma de corona esfèrica per a les gotetes. L’anàlisi és coherent amb la nostra observació experimental sobre el moviment de les caigudes i la coalescència. Pràcticament, la gota pot desviar-se de la forma de l’esfera perfecta sobre la superfície de filferro de malla corba. La caiguda sobre la superfície de filferro de malla corba és un problema tridimensional complicat, que implica no només una curvatura al llarg de la direcció del filferro axial, sinó també una curvatura al llarg de la direcció de la circumferència del filferro. L’anàlisi teòrica del problema no és possible. Recomanem en el futur la simulació numèrica tridimensional. Zhao 32 va donar l'expressió teòrica de la forma de caiguda per a un problema simètric bidimensional, com la interacció de la gota amb la superfície de la paret plana i la superfície de la paret sòlida convexa o còncava simètrica.

Conclusions i perspectiva

La generació d'una matriu de micro-gotetes en una gran superfície metàl·lica és un problema. Es va informar d'un nou sistema de matrius de micro-gotes mitjançant coneixements multidisciplinaris de mecànica, materials i ciències tèrmiques i fluides. La pantalla de malla es va sinteritzar sobre un substrat de coure aplicant una pressió d’enllaç específica. La pantalla de malla és un material comercial i barat que té porus de malla de mida micra per a ús a gran escala. L’estructura és periòdica, formant la base per generar matriu de gotes. Existeix una tensió residual no uniforme al llarg de cables de trama corbats després de sinteritzar-se quan es treu la força externa. Hi ha tres mecanismes per a la nucleació i el creixement de la gota a les ubicacions superiors del filferro de trama: (1) Les ubicacions superiors del filferro són més “hidròfiles” que la zona veïna. (2) Les ubicacions superiors del filferro s'apropen a la temperatura més freda del substrat de coure. Tot i això, la temperatura del fil d’ordit és superior a la del fil de trama. Els cables de deformació contribueixen menys a la condensació, però funcionen com a estructura de suport. (3) La coalescència de les gotes es produeix al llarg de la superfície de filferro corbat de la trama a causa del gradient energètic superficial.

El concepte de generació de gotes basat en pantalla de malla pot tenir moltes aplicacions. Per exemple, la condensació a les gotes a les parets sòlides posseeix una nucleació i un creixement aleatoris de la gota, de manera incontrolada. La pantalla de malla d’interpretació a la paret de coure no només estén l’àrea de transferència de calor, sinó que també fa que la condensació sigui controlada de manera modular el rendiment, que és important per a aplicacions de control de temperatura precises. Una altra aplicació potencial és per a enginyeria ambiental. És difícil recollir partícules de pols ultrafines a un gran volum d’espai per fer l’aire net. Es va informar que l'estudi va absorbir partícules fines mitjançant una gota 33 electriferous. El present treball proporciona una nova manera d’absorbir partícules fines de pols per matriu de gota per protegir el medi ambient per a l’ús a gran escala.

Com que la modulació de gotes té àmplies aplicacions en enginyeria mecànica, elèctrica, òptica i de biologia, la dinàmica de les gotes ha estat molt atenta. Chen et al . 34 van estudiar la divulgació poligonal dinàmica d’una gota sobre una superfície plasmada en pilar i li mostra que els seus resultats poden ampliar el nostre coneixement de la dinàmica de líquids en superfícies estampades i ajudar al disseny de superfícies en aplicacions pràctiques. La pantalla de malla és un material comercial amb micro-forats per a gran utilització. La pantalla de malla ampliarà les seves funcions amb l'ajuda de modificacions de nanoestructura a la superfície. Hi ha fenòmens i mecanismes afluents que cal explorar en les interaccions entre la gota micro i la estructura basada en pantalla de malla. Les indicacions de recerca en perspectiva són: (1) dinàmica de gotes en estructures de micro / nano basades en pantalla de malla, incloent impactes, propagació, rebot i coalescència, (2) efecte del camp extern com el camp elèctric i el camp magnètic sobre la dinàmica de la gota, (3) ) efecte de la transferència de calor en la dinàmica de la caiguda, i (4) estudis experimentals i numèrics d'alta resolució sobre la dinàmica de la caiguda.

Mètodes

Serigrafia de malla de pantalla en bloc de coure

Es tria una peça de malla amb un diàmetre de filferro de malla de 101 μm i una amplada rectangular de poros de 152 μm per sinteritzar-se sobre un bloc de cilindres de coure amb un diàmetre de 30 mm i una altura de 20 mm. Abans del progrés de sinterització, la peça de malla es va preparar per tenir una mida plana idèntica que la del substrat de coure. El bloc de cilindres de coure va ser mecanitzat i polit amb cura mitjançant paper abrasiu fi. A continuació, tant el bloc de coure com la pantalla de malla es van netejar de forma seqüencial en acetona i solució d'etanol excitats ultra-sonors per netejar la contaminació d'oli. La pantalla de malla seca es posa a la part superior del substrat de coure. Els dos components s’uneixen units imposant una força externa generada per un motlle de grafit i un pes d’1 kg. Tots els components s’envien a un forn per sinteritzar. El procés de sinterització es descriu de la manera següent. Inicialment, el forn es buida a una pressió absoluta d’1 kPa. A continuació, es va carregar al gas nitrogen ( N 2 ) al forn per tenir una pressió de 0, 5 bar. A l’entorn de protecció N 2, la mostra es va sinteritzar a una temperatura de 850 ° C durant una hora. A continuació, en desactivar la potència del forn, la temperatura del forn es redueix automàticament a 30 ºC durant 24 hores.

Oxidació i modificació polimèrica de la mostra sinteritzada

La mostra sinteritzada s’oxidava mitjançant una solució aquosa de 2, 5 mol / L d’hidròxid de sodi i 0, 1 mol / L de persulfat d’amoni a temperatura ambient durant uns 12 minuts, durant els quals el líquid estava sent barrejat per un agitador magnètic a una velocitat de 500 r / min. La mostra sinteritzada es va treure de la solució i es va esbandir completament amb aigua desionitzada. A continuació, es va coure la mostra en un forn a la temperatura de 180 ° C durant 2 hores. Finalment, la mostra oxidada s’immersa en una solució d’hexà del 0, 5% en pes d’1 H , 1 H , 2 H , 2 H -Perfluorodeciltilhoksisilà (FAS17, Alfa Aesar). El temps de reacció va ser d’unes dues hores aproximadament amb l’ajut d’un agitador magnètic. La mostra està a punt per utilitzar després d’assecar-se en un forn a una temperatura de 110 ° C durant 1 hora.

Detalls de la prova

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.

Informació complementària

Fitxers PDF

  1. 1.

    Informació complementària

Vídeos

  1. 1.

    Pel·lícula complementària 1

  2. 2

    Pel·lícula complementària 2

Comentaris

En enviar un comentari, accepteu complir els nostres Termes i Directrius de la Comunitat. Si trobeu alguna cosa abusiva o que no compleix els nostres termes o directrius, marqueu-la com a inadequada.