Nước được đun sôi rất nhiều – cho dù đó là một tách trà được pha trong nhà bếp hay tại nhà máy điện. Bất kỳ cải tiến nào về hiệu quả của quá trình này sẽ có tác động đáng kể đến tổng lượng năng lượng được sử dụng cho nó mỗi ngày.
Một cải tiến như vậy có thể đến với một phương pháp xử lý mới được phát triển đối với các bề mặt được sử dụng để làm nóng và bốc hơi nước. Quá trình xử lý cải thiện hai thông số chính xác định quá trình sôi: hệ số truyền nhiệt (HTC) và lưu lượng nhiệt tới hạn (CHF).
Hầu hết thời gian, có một sự đánh đổi giữa hai điều này – cái tốt hơn, cái khác tệ hơn. Sau nhiều năm tìm kiếm, cụm từ tìm kiếm đằng sau kỹ thuật này đã tìm ra cách để nâng cao cả hai.
“Cả hai thông số đều quan trọng, nhưng việc tối ưu hóa cả hai thông số với nhau là một việc khá khó khăn vì chúng có sự đánh đổi nội tại” Nhà khoa học tin sinh học Yongsap Song nói Từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley ở California.
“Nếu chúng ta có nhiều bọt trên bề mặt sôi thì việc đun sôi rất hiệu quả, nhưng nếu chúng ta có quá nhiều bọt trên bề mặt, chúng có thể kết hợp với nhau, có thể tạo thành một lớp hơi trên bề mặt sôi.”
Bất kỳ màng hơi nào giữa bề mặt nóng và nước đều có lực cản, làm giảm hiệu suất truyền nhiệt và giá trị CHF. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã nghĩ ra ba kiểu sửa đổi bề mặt khác nhau.
Đầu tiên, một loạt các vi ống được thêm vào. Nhóm ống này có chiều rộng 10 µm, cách nhau khoảng 2 mm, kiểm soát sự hình thành bong bóng và giữ bong bóng cố định trong các khoang. Điều này ngăn không cho hình thành màng hơi.
Đồng thời làm giảm nồng độ bọt trên bề mặt làm giảm hiệu suất đun sôi. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một phương pháp xử lý quy mô nhỏ hơn như một sửa đổi thứ hai, chỉ thêm các phần nhô ra và cạnh có kích thước nanomet bên trong bề mặt của các ống rỗng. Điều này làm tăng diện tích bề mặt có sẵn và nâng cao tốc độ bay hơi.
Cuối cùng, các hốc siêu nhỏ được đặt ở trung tâm của một loạt các cột trên bề mặt vật liệu. Những chùm tia này đẩy nhanh quá trình rút chất lỏng bằng cách tăng thêm diện tích bề mặt. Kết hợp lại, hiệu suất đun sôi tăng lên đáng kể.
Ảnh trên: Một đoạn video quay chậm lại của các nhà nghiên cứu cho thấy nước sôi trên một bề mặt được xử lý đặc biệt khiến các bong bóng hình thành tại các điểm riêng biệt cụ thể.
Vì các cấu trúc nano cũng thúc đẩy sự bay hơi bên dưới các bong bóng và các cột duy trì nguồn cung cấp chất lỏng liên tục cho nền của bong bóng, nên một lớp nước có thể được duy trì giữa bề mặt sôi và các bong bóng — giúp thúc đẩy dòng nhiệt tối đa.
“Chứng minh khả năng của chúng tôi trong việc thao tác bề mặt theo cách này để tối ưu hóa là bước đầu tiên” Kỹ sư cơ khí Evelyn Wang nói: từ Viện Công nghệ Massachusetts. “Sau đó, bước tiếp theo là nghĩ về các cách tiếp cận có thể mở rộng hơn.”
“Những loại cấu trúc này mà chúng tôi tạo ra không nhằm mục đích mở rộng quy mô thành dạng hiện tại của chúng.”
Chuyển công việc từ một phòng thí nghiệm quy mô nhỏ sang một thứ có thể được sử dụng trong các ngành thương mại sẽ không dễ dàng lắm, nhưng các nhà nghiên cứu tin tưởng rằng điều đó có thể làm được.
Một thách thức là tìm cách tạo ra kết cấu bề mặt và “ba cấp độ” điều chỉnh. Tin tốt là có nhiều phương pháp khác nhau có thể được khám phá và quy trình này cũng phù hợp với các loại chất lỏng khác nhau.
“Những loại chi tiết này có thể được thay đổi và đó có thể là bước tiếp theo của chúng tôi” sung nói.
Tìm kiếm đã được xuất bản trong vật liệu tiên tiến.