Ученые превратили «дефекты» в покрытие, повышающее теплопередачу в 5,5 раза

Ученые разработали новое покрытие поверхности, которое может повысить эффективность теплопередачи при конденсации до 5,5 раз по сравнению с обычными медными поверхностями. Технология помогает каплям воды легче образовываться и быстрее отделяться, что может повысить энергоэффективность на электростанциях и опреснительных установках, а также улучшить охлаждение электронных устройств.

KAIST объявил 23 августа, что совместная группа под руководством профессора Ёнсука Нама с кафедры машиностроения и профессора Сонга Гапа Има с кафедры химической и биомолекулярной инженерии создала технологию, тщательно контролируя толщину и структуру ультратонкого полимерного покрытия. Покрытие способствует появлению большего количества капель при конденсации водяного пара, а также облегчает их отделение от поверхности.

Почему конденсация важна для теплопередачи

Конденсация происходит, когда водяной пар превращается в жидкую воду. Знакомый пример — слой капель, появляющийся на внешней стороне холодного напитка. В промышленности конденсация играет важную роль в преобразовании пара обратно в воду на электростанциях, получении пресной воды из морской и отводе тепла от электронного оборудования.

Для эффективной работы таких систем конденсированная вода должна быстро удаляться с поверхности. На обычных металлических поверхностях мелкие капли часто сливаются в сплошную пленку воды. Эта пленка действует как дополнительный барьер для теплового потока, снижая эффективность теплопередачи, подобно тому, как несколько слоев зимней одежды замедляют отвод тепла от тела.

Более эффективный процесс происходит, когда вода остается в виде отдельных капель, которые многократно образуются и отделяются. Такое поведение называется капельной конденсацией. Поскольку капли покидают поверхность, а не образуют сплошной слой, свежие участки поверхности постоянно обнажаются, что позволяет теплу проходить через поверхность более эффективно.

Компромисс между образованием и удалением капель

Предыдущие конструкции поверхностей сталкивались с важным ограничением. Шероховатые поверхности предоставляют больше мест для образования капель, но те же структуры могут удерживать капли и затруднять их удаление. Более гладкие поверхности позволяют каплям легче скользить или отделяться, но предоставляют меньше мест для образования новых капель.

Это создает фундаментальный компромисс между нуклеацией — первоначальным образованием капель — и подвижностью капель.

Исследователи решили эту проблему, используя наноразмерные полимерные агрегаты, которые ранее считались нежелательными «дефектами» в полимерных покрытиях. Они создали покрытие с помощью инициированной химической вакуумной депозиции (iCVD) — метода, при котором газообразные прекурсоры осаждаются на поверхность, образуя чрезвычайно тонкий полимерный слой.

Когда исследователи сделали полимерную пленку тоньше, на поверхности появилось множество мелких полимерных агрегатов. Вместо удаления этих структур команда использовала их как центры нуклеации, где могли начинать формироваться капли воды. Тонкие полимерные пленки давали примерно в три раза больше капель, чем более толстые.

Ускорение образования и отделения капель

Затем команда применила термическую обработку, которая ослабила силу, удерживающую капли на покрытой поверхности. Это позволило каплям отделяться легче, часто до того, как они успевали вырасти до больших размеров.

Две корректировки воздействовали на разные части процесса конденсации. Уменьшение толщины полимерной пленки увеличивало количество мест, где могли образовываться капли, а термическая обработка облегчала отделение этих капель от поверхности. Контролируя эти эффекты по отдельности, исследователям удалось преодолеть обычный конфликт между созданием большего количества капель и их быстрым удалением.

Как только капля отделяется, на освободившемся месте может образоваться другая. Процесс похож на то, как свободное место заполняется, как только кто-то встает. Чем чаще появляются и исчезают капли, тем чаще обновляется поверхность, что позволяет теплу проходить через нее более эффективно.

Эффективность теплопередачи увеличена до 5,5 раз

Чтобы протестировать технологию в условиях, близких к реальным применениям, исследователи нанесли полимерное покрытие на медные трубки, обычно используемые в конденсаторах.

Максимальный коэффициент теплопередачи при конденсации, который измеряет способность поверхности передавать тепло, достиг примерно 88 кВт·м^-2·К^-1. Это представляло собой эффективность теплопередачи до примерно 5,5 раз выше, чем у обычной медной поверхности, покрытой водяной пленкой.

Новое покрытие также показало более чем на 50% лучшую производительность, чем обычная гидрофобная поверхность.

Вместо того чтобы полагаться только на гладкие или водоотталкивающие поверхности, исследователи намеренно использовали небольшие поверхностные «дефекты». Их результаты показали, что наночастицы, которые когда-то считались дефектами, которые нужно устранять, могут вместо этого служить полезными местами для образования капель. Это открытие привело команду к новой стратегии проектирования поверхностей конденсации.

Потенциальное применение в энергетике, водоснабжении и электронике

Если покрытие будет применено на электростанциях или в промышленных теплообменниках, оно может повысить энергоэффективность, позволяя теплу перемещаться более эффективно. Технология также может улучшить сбор воды в опреснительных установках и устройствах для сбора воды, а более быстрое отведение тепла может обеспечить лучшее охлаждение электронного оборудования.

Профессор Нам сказал: «Эта работа значима, потому что она использует наноструктуры, ранее считавшиеся дефектами, как элементы, помогающие образованию капель. Мы представили новый метод повышения эффективности теплопередачи за счет раздельного контроля образования и удаления капель».

Он добавил: «Поскольку эта технология позволяет формировать чрезвычайно тонкие однородные покрытия даже на поверхностях сложной формы, мы ожидаем, что она найдет применение в различных энергетических и экологических областях, включая промышленные теплообменники».

Джун Со Ким, исследователь с кафедры машиностроения, и Минджон Кан, исследователь с кафедры химической и биомолекулярной инженерии, стали соавторами исследования в качестве первых авторов. Результаты были опубликованы онлайн в международном журнале Nature Communications 16 июля.

Исследование было поддержано программой для исследователей среднего возраста (Министерство науки и ИКТ и Национальный исследовательский фонд Кореи), программой развития инновационных технологий для малых и средних предприятий (Министерство малого и среднего бизнеса и стартапов и Корейское агентство продвижения технологий и информации для МСП) и программой поддержки глубоких технологических стартапов (Министерство науки и ИКТ и Агентство коммерциализации результатов НИОКР, COMPA).

Источники:

Материалы предоставлены Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST).

Jun Soo Kim, Minjeong Kang, Seokwan Roh, Donghyeong Lee, Wontae Jang, Sung Gap Im, Youngsuk Nam. Rational design of polymer film morphology via structure-performance linkage for enhanced condensation performance. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-75621-5