在冬天，當進入一個溫暖的建築物時，冷凝物可能會毀壞木質咖啡桌或使玻璃杯起霧，但這並不都是不方便的；冷凝蒸發循環具有重要的應用價值。水可以從“稀薄的空氣”中獲取，也可以通過冷凝的方式從海水淡化廠的鹽中分離出來。由於冷凝液滴蒸發時會帶走熱量，這也是工業和高性能計算領域冷卻過程的一部分。然而，當研究人員研究最新的冷凝方法時，發現了一些奇怪的現象：
當一種特殊類型表面被一層薄薄的油覆蓋時，凝結的水滴似乎在表面上以高速隨機飛行，與更大的水滴融合，形成的模式不是由重力造成。華盛頓大學聖路易斯分校麥凱維工程學院機械工程與材料科學助理教授帕特里夏·維森西說：就它們自身的相對尺寸而言，它們之間的距離是如此之遠，液滴的直徑小於50微米。它們都在以每秒1毫米的速度，向更大的水滴移動。
魏森西和實驗室的博士生孫建興已經確定，這種看似不穩定的運動是作用在液滴上的毛細力不平衡的結果。研究還發現，液滴的速度與油的粘度和液滴大小有關，這意味著液滴的速度可以控制，其研究結果發表在《軟物質》上。在工業中最常見的冷凝形式中，水蒸氣冷凝在表面上形成一層厚厚的液體。這種方法被稱為“膜狀”冷凝。但另一種方法被證明在促進冷凝和隨之而來的熱量轉移方面更有效：水滴狀冷凝。
為什麼會移動？
它已經被用於傳統的疏水錶面——那些排斥水的表面，例如不粘鍋上的聚四氟乙烯塗層。然而，當暴露在熱蒸汽中時，這些傳統的不潤溼表面會迅速退化。相反，幾年前，研究人員發現，在粗糙或多孔疏水錶面注入潤滑油，如機油，會導致更快的凝結。重要的是，這些注入潤滑油的表面(LIS)導致了高度流動和更小的水滴的形成，當涉及冷凝和蒸發時，這些水滴負責大部分的傳熱。然而，在這個過程中，表面水滴的運動似乎是不穩定的，而且速度很快。
相對於它們的大小，移動的速度非常快。問題是，為什麼會移動？維森西和團隊利用高速顯微鏡和干涉術觀察了整個過程，能夠辨別出發生了什麼，以及液滴大小、速度和油粘度之間的關係。創造了水蒸氣，並觀察表面形成的小水滴，第一個過程是小水滴凝聚成更大的水滴。毛細管力使油滴長大並覆蓋在液滴上，形成半月板——圍繞液滴的一層彎曲的油。油在不停地移動，試圖達到一種平衡，因為它覆蓋了表面不同地方不同大小的液滴——如果一個大液滴在這裡形成。
半月板就會在上面伸展，導致油層在其他地方收縮。收縮區域的任何小水滴都會迅速被拉向較大的水滴，從而導致富油和貧油區域。在這個過程中，較大的液滴基本上在清除空間，這反過來為更多的小液滴形成提供了空間。由於大部分的傳熱(約85%)是通過這些小水滴進行，所以使用LIS進行水滴冷凝應該是一種更有效的散熱和從蒸汽中獲取水分的方法。由於水滴非常小，直徑小於100微米，所以可以在更小的區域凝結。還有一個好處。
在“傳統的”凝結過程中，重力是一種清除表面水分的力量，為新水滴的形成創造空間。表面是垂直放置，水只是簡單地流出。由於毛細管力在滴狀冷凝充液表面起作用，所以表面的方向無關緊要。這可能會被用於個人設備上，或者在太空中，因為整個過程比傳統的冷凝更有效，這可能是一種不依賴重力清理空間的好方法。接下來，Weisensee的團隊將測量傳熱，以確定在LIS上滴狀冷凝過程中，更小的水滴是否更有效。研究人員還計劃研究不同的表面，以最大限度地提高液滴的運動。
博科園｜研究/來自：華盛頓大學聖路易斯分校
參考期刊《軟物質》
DOI: 10.1039/C9SM00493A
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