پژوهشگران در ایالات متحده پوشش عایق چندلایه فوقآبگریزی با عنوان MISH توسعه دادهاند که آب نزدیک به نقطه جوش، شیر داغ، قهوه و سوپ را دفع میکند و بدینترتیب اجازه میدهد سطوحی که همواره خشک باقی میمانند حتی در دماهای بالا نیز کارایی خود را حفظ کنند.
دانشمندان دانشگاه رایس راهکاری سریع برای رفع ضعف سطوح فوقآبگریز ارائه کردهاند؛ آنها بهجای تمرکز صرف بر شیمی و بافت ماده، جریان حرارتی درون آن را مورد آزمایش قرار دادند. سطوح فوقآبگریز بهشدت آبگریز هستند، از برگ نیلوفر آبی الگوبرداری میکنند و موجب میشوند قطرات آب تنها با اندکی شیب از روی سطح بغلتند. بااینحال، آب داغ همچنان نقطهضعف اصلی این سطوح به شمار میرود.
زمانی که دما به ۱۰۴ درجه فارنهایت (۴۰ درجه سلسیوس) میرسد، بسیاری از این پوششها بهطور ناگهانی توانایی دفع آب را از دست میدهند. در چنین شرایطی، قطرات داغ بهجای لغزیدن، به سطح میچسبند، در بافت آن نفوذ میکنند و لکههای مرطوب بر جا میگذارند.
برای مقابله با این مشکل، تیم پژوهشی پوششی طراحی کرده که حتی زمانی که دمای قطرات به حدود ۱۹۴ درجه فارنهایت (۹۰ درجه سلسیوس) نزدیک میشود نیز آب را دفع میکند. طراحی MISH از یک سامانه دولایه تشکیل شده است. این سامانه شامل یک لایه زیرین عایق یعنی فوم پلییورتان قابل اسپری، بههمراه یک لایه رویی فوقآبگریز با ریزبافت بوده که بهصورت تجاری و به شکل اسپری عرضه میشود.
لایه زیرین عایق، انتقال حرارت از قطره به سطح را کند میکند و از چرخه سریع تبخیر و میعان جلوگیری به عمل میآورد.
دنیل جی پرستون، دارای مدرک دکتری و استادیار مهندسی مکانیک در دانشگاه رایس و نویسنده مطالعه، توضیح داد که لایه عایق میزان سردشدن قطره داغ در محل تماس را کاهش میدهد و در نتیجه چرخههای تبخیر و میعان مجدد که بهطور معمول بافت سطح را از میعانات پر میکند، کمتر رخ میدهد. او افزود که کاهش میعانات در بافت سطح به معنای شکلگیری پلهای مایع کمتر است و همین امر خاصیت دفعکنندگی را حفظ میکند.
در نبود این پلهای میعانی، حتی قطرات نزدیک به نقطه جوش نیز به لغزش خود ادامه میدهند. پرستون تصریح کرد که انجام چنین کاری پیشتر دشوار بود و میتوانست تا ۴۰۰۰ برابر بیش از روش پیشنهادی آنها هزینه در بر داشته باشد.
دانشمندان نمونههای پوشش را بهمدت یک هفته تحت بمباران قطرات داغ قرار دادند که نزدیک به ۲ میلیون برخورد را شامل میشد. پوششهای سنتی تقریباً بلافاصله دچار افت عملکرد شدند. در مقابل، سطوح MISH، بهویژه نمونههایی با لایه عایق ضخیمتر، بیش از ۸۰ ساعت معادل حدود ۱ میلیون برخورد، خاصیت دفع آب را حفظ کردند و سپس بهتدریج دچار افت کیفیت شدند.
بهمنظور اثبات مقیاسپذیری این مفهوم خارج از آزمایشگاه، تیم تحقیقاتی پوشش را بر صفحات فلزی بزرگ، لولههای خمیده و مایعات متداول نزدیک به فضای آشپزخانه مانند شیر داغ، قهوه و حتی سوپ نخود فرنگی اعمال کرد. این سیالات بر روی سطوح تیمارشده با MISH کمتر از ۱ درصد باقیمانده بر جا گذاشتند، درحالیکه همین مواد روی پوششهای استاندارد بیش از ۳۱ درصد باقیمانده ایجاد کردند.
پرستون اعلام کرد که کاربردهای بالقوه این رویکرد بسیار هیجانانگیز است، هرچند همچنان امکان بهبود بیشتر وجود دارد. این تیم در حال بررسی لایههای رویی بادوامتر و پایدارتر از نظر حرارتی و همچنین معماریهای پوششی فراتر از روشهای ساده اسپریکردنی است.
این مطالعه در نشریه ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شده است.
