研究人員開發出一種新型表面塗層，與傳統銅表面相比，其冷凝熱傳遞效能可提升高達 5.5 倍。這項技術透過幫助水滴更容易形成並加速脫離表面，有助於提高發電廠和海水淡化設施的能源效率，同時也能增強電子設備的散熱效果。
韓國科學技術院（KAIST，校長 Choongsik Bae）於 8 月 23 日宣布，由機械工程學系教授 Youngsuk Nam 和化學生物分子工程學系教授 Sung Gap Im 領導的聯合團隊，透過精確控制超薄聚合物塗層的厚度和結構，成功開發出這項技術。該塗層能促進水蒸氣凝結時形成更多水滴，同時也讓這些水滴更容易從表面脫離。
冷凝在熱傳遞中的重要性
冷凝是指水蒸氣轉變為液態水的過程。一個常見的例子是冷飲外層出現的水珠。在工業上，冷凝在發電廠將蒸汽轉化為水、從海水生產淡水以及將熱量從電子設備帶走等方面扮演著重要角色。
為了讓這些系統有效運作，凝結水必須快速從表面移除。在一般的金屬表面上，小水滴經常會合併成連續的水膜。這層水膜會成為熱流的額外阻礙，降低熱傳遞效率，其原理與多層冬季衣物減緩身體熱量散失的方式類似。
當水保持獨立的水滴狀態並反覆形成和脫離時，會發生更有效率的過程。這種行為稱為「滴狀冷凝」。由於水滴會脫離而不是形成連續的水膜，表面會不斷地重新暴露出來，讓熱量更有效地通過表面傳遞。
水滴形成與脫離之間的權衡
過去的表面設計在一個重要的限制上遇到了困難。粗糙的表面提供了更多水滴開始形成的區域，但這些結構也會困住水滴，使其難以脫離。較光滑的表面讓水滴更容易滑動或脫離，但它們提供的水滴形成區域較少。
這在成核（水滴的初始形成）和水滴移動性之間造成了基本的權衡。
研究人員透過利用先前被視為聚合物塗層中不受歡迎的「缺陷」的奈米級聚合物聚集體，解決了這個問題。他們使用起始化學氣相沉積（iCVD）技術生產塗層，該技術將氣態前驅物沉積在表面上，形成極薄的聚合物層。
當研究人員將聚合物薄膜做得更薄時，表面出現了許多小的聚合物聚集體。團隊沒有移除這些結構，而是將它們用作水滴可以開始形成的成核點。與較厚的薄膜相比，薄聚合物薄膜產生的水滴數量約是其三倍。
幫助水滴更快形成與脫離
接著，團隊引入了一種熱處理，削弱了水滴附著在塗層表面的力。這使得水滴更容易脫離，通常在它們有機會長得非常大之前就脫離了。
這兩項調整分別解決了冷凝過程的不同部分。減少聚合物薄膜的厚度增加了水滴形成的數量，而熱處理則使水滴更容易從表面脫離。透過單獨控制這些效應，研究人員能夠克服同時產生更多水滴和快速移除它們的傳統衝突。
一旦一個水滴脫離，另一個水滴就可以在剛暴露出來的空間中形成。這個過程類似於有人起身後，空座位立即被填滿。水滴出現和離開的頻率越高，表面被更新的次數就越多，從而使熱量更有效地通過表面傳遞。
熱傳遞效能提升高達 5.5 倍
為了在更接近實際應用的條件下測試這項技術，研究人員將聚合物塗層應用於冷凝器中常用的銅管上。
最大的冷凝熱傳遞係數（衡量表面傳熱能力）達到了約 88 kW·m -2 ·K -1 。這代表熱傳遞效能比覆蓋水膜的傳統銅表面高出約 5.5 倍。
這種新塗層的效能也比傳統的疏水塗層表面高出 50% 以上。
研究人員沒有僅僅依賴光滑或排斥水的表面，而是刻意利用了微小的表面「缺陷」。他們的結果表明，曾經被視為需要消除的缺陷的奈米級顆粒，實際上可以提供有用的水滴形成區域。這項發現引導團隊採用了一種設計冷凝表面的新策略。
在能源、水資源和電子領域的潛在應用
如果該塗層能夠應用於發電廠或工業熱交換器，它將透過更有效地移動熱量來提高能源效率。這項技術還可以改善海水淡化和集水設備的水收集能力，同時更快的熱量移除可以為電子設備提供更好的散熱效果。
Nam 教授表示：「這項研究很有意義，因為它利用了先前被視為缺陷的奈米結構，作為幫助水滴形成的特徵。我們提出了一種透過單獨控制水滴形成和脫離來提高熱傳遞效率的新方法。」
他補充說：「由於這項技術可以在即使是形狀複雜的表面上形成極薄且均勻的塗層，我們預計它將被用於各種能源和環境應用，包括工業熱交換器。」
機械工程學系的 Jun Soo Kim 和化學生物分子工程學系的 Minjeong Kang 研究員，共同撰寫了這篇研究，並列為第一作者。研究結果已於 7 月 16 日在國際期刊《自然通訊》（Nature Communications）線上發表。
本研究獲得了中階研究者計畫（科學技術資訊通信部及韓國國家研究基金會）、中小企業技術創新發展計畫（中小企業及新創企業部及韓國中小企業技術情報振興院）以及深度科技創業啟動支持計畫（科學技術資訊通信部及研發成果商業化促進機構，COMPA）的支持。
由韓國科學技術院（KAIST）提供的資料。請注意：內容可能經過風格和長度編輯。