仿生波纹技术打造不结霜表面

发布时间:2024-12-24 15:58:55 来源: sp20241224

原标题:仿生波纹技术打造不结霜表面

最新一期《科学进展》杂志上发表的论文称,美国西北大学工程师开发了一种新策略,对任何表面的纹理进行调整,并添加一层薄薄的氧化石墨烯,就可确保表面在一周甚至更长时间内完全不结霜。这种表面还具有抗裂、抗刮擦和抗污染的优点,具有可扩展性、耐用性,并可通过3D打印轻松制造。

研究人员表示,他们设计的灵感来源于树叶的波纹几何形状。在树叶的凸起区域,结霜更多,而在凹陷区域(叶脉),结霜要少得多。早在2020年,他们就发现,是几何形状,而非材料,导致了这一现象。通过实验和计算模拟,他们进一步发现,在波浪形表面的波峰处,凝结作用得到增强,而在波谷处则受到抑制,波谷中少量凝结的水随后蒸发,从而形成无霜区域。

此前,研究人员开发了一种表面,其特征是毫米级的波峰和波谷,且波峰和波谷之间的角度较小。最新研究中,他们在平坦的波谷上涂了一层仅600微米厚的氧化石墨烯薄膜,结霜减少了100%。新表面由微小的凸起组成,波峰之间的距离为5毫米。

氧化石墨烯能够吸附水蒸气,并将水分子限制在其结构内。因此,氧化石墨烯层就像一个容器,可以防止水蒸气结冰。当氧化石墨烯与宏观纹理表面结合时,就能在高过饱和状态下长时间抵抗结霜。这种混合表面成为一个稳定、持久、无霜的区域。

与其他先进的防霜表面相比,新方法显然更胜一筹。超疏水(防水)和注有润滑剂的表面可在5小时内阻止5%—36%的霜冻形成,而新表面可在长达160小时内阻止100%的霜冻形成。 (记者张佳欣)

(责编:郝孟佳、李昉)