Oberflächendesign von Kupfer-Nanodraht-Baugruppen für eine hohe Abtaueffizienz

Wissenschaftler der Technischen Universität Dalian schlagen ein Design von Kupfer-Nanodraht-Baugruppen vor, das die Enteisungs- und Enteisungseffizienz ohne herkömmlichen Energieaufwand ausreichend verbessern kann. Konkret liegt die Auftauwirksamkeit bei nahezu 100 Prozent, ein rekordverdächtiger Wert im Vergleich zu veröffentlichten Studien.

Die Forschung, veröffentlicht im International Journal of Extreme Manufacturing zeigt eine einfache elektrochemische Methode zur Herstellung von Nanodrahtanordnungen mit kontrolliertem Muster, Hierarchie und Größe. Dies ermöglicht die gleichzeitige Darstellung photothermischer, wärmeleitender und superhydrophober Eigenschaften, die bei herkömmlichen Oberflächen sonst nicht möglich wären. Die photothermische Eigenschaft sorgt für eine effiziente Sonnenlichtabsorption, die wärmeleitende Eigenschaft sorgt für eine schnelle seitliche Wärmeleitung nach der Sonnenlichtabsorption, während die superhydrophobe Eigenschaft das Abrutschen oder Wegrollen von Eis/Reif beim Abschmelzen von der Oberfläche vorantreibt, wobei die Abtauung höher ist als zuvor berichtet.

Eis- und Reifbildung stellen in verschiedenen Bereichen immer wieder erhebliche Herausforderungen dar, die vom kryogenen Einfrieren nanoskaliger Zellen bis zum Flug makroskaliger Flugzeuge reichen. „Herkömmliche Enteisungs-/Enteisungslösungen basieren hauptsächlich auf mechanischen, thermischen und chemischen Ansätzen, die jedoch alle entweder energieintensiv, arbeitsintensiv oder umweltschädlich sind. Darüber hinaus erforderten einige dieser aktiven Ansätze einen direkten Kontakt mit der Materialoberfläche, was ein Risiko für empfindliche Beschichtungen darstellt. Um eine energiesparende und umweltfreundliche Enteisung/Enteisung ohne Beeinträchtigung der Oberflächenfunktionalität zu erreichen, haben sich die meisten Bemühungen auf passive Ansätze über Oberflächenmodifikationen verlagert“, sagte Siyan Yang, der Erstautor des Papiers, der jetzt Postdoc an der Hongkonger Universität ist Polytechnische Universität.

Das jüngste Interesse konzentrierte sich auf photothermische Oberflächen mit Superhydrophobizität, die durch Sonnenlicht, eine auf der Erde reichlich vorhandene grüne Energiequelle, erhitzt werden können. Aufgrund der geringeren Wärmeleitfähigkeit kommt es jedoch bei den meisten Oberflächen zu einer lokalen und ungleichmäßigen Erwärmung. Daher birgt die weitere Kombination dieser Oberflächeneigenschaften mit wärmeleitenden Materialien, insbesondere Metallen, ein großes Potenzial für die Enteisung und Enteisung, das jedoch noch weitgehend unerforscht ist.

„Um die oben genannten Probleme anzugehen, entwickeln wir einen einfachen Herstellungsansatz zur Herstellung kontrollierbarer Kupfer-Nanodraht-Baugruppen. Wir haben festgestellt, dass Morphologie, Höhe und Maßstab der Anordnungen durch Anpassung der elektrochemischen Parameter gut abgestimmt werden können. Durch Benetzbarkeits- und photothermische Tests haben wir herausgefunden, dass die meisten Nanodrahtanordnungen superhydrophob behandelt werden können, mit einer Sonnenlichtabsorptionsrate von mehr als 95 Prozent. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit von Kupfermaterialien ermöglichen Nanodrahtanordnungen, insbesondere das Design mit aufrechten Nanodrähten und einer durchschnittlichen Mikrorillenbreite von 2–3 μm, überlegene Enteisungs- und Enteisungsleistungen“, sagte Qixun Li (Doktorand, jetzt an der Universität Dalian). of Technology), der erste Co-Autor des Artikels.

Dieses innovative Design kann zu einer zwei- bis dreimal kürzeren Gesamtauftaudauer führen als andere drei nanostrukturierte Oberflächen, die nur über Superhydrophobie, photothermischen Effekt oder eine Kombination davon verfügen. Beeindruckend ist, dass dieses Design im Vergleich zu früheren Arbeiten die höchste Abtaueffizienz (~100 Prozent) erreicht.

„Grundsätzlich ist das Design von Nanodrahtanordnungen aufgrund der einfachen Herstellung, der hohen Steuerbarkeit und der Vielfalt in der Morphologie vielversprechend für breite Enteisungs- und Enteisungsanwendungen, bei denen kein herkömmlicher Energieeintrag erforderlich ist. Allerdings sind die Haltbarkeit, Skalierbarkeit und Chemikalien.“ Die Stabilität der Nanodrahtanordnungen ist in praktischen Anwendungen mit komplexen Arbeitsbedingungen begrenzt. Es ist notwendig, allgemeinere Methoden zur Verarbeitung von Mikro-/Nanomaterialien zu entwickeln, um die Fertigungseffizienz, die Materialgröße und die Oberflächenhaltbarkeit zu verbessern. Dennoch ist das Designkonzept dieser Arbeit hilfreich als Kompass für zukünftige Forschungsbemühungen, insbesondere in kalten Gebieten mit Stromknappheit“, bemerkte Xuehu Ma, Professor für Chemieingenieurwesen an der Technischen Universität Dalian und korrespondierender Autor der Studie.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website des International Journal of Extreme Manufacturing veröffentlicht