การต้มน้ำหรือของเหลวอื่นๆ เป็นขั้นตอนที่ใช้พลังงานมากซึ่งเป็นหัวใจสำคัญของกระบวนการทางอุตสาหกรรมที่หลากหลาย รวมถึงโรงงานผลิตไฟฟ้าส่วนใหญ่ ระบบการผลิตสารเคมีจำนวนมาก หรือแม้แต่ระบบทำความเย็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
การปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบที่ให้ความร้อนและระเหยน้ำสามารถลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก ตอนนี้ นักวิจัยที่ MIT ได้ค้นพบวิธีการดังกล่าว ด้วยการปรับพื้นผิวที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับวัสดุที่ใช้ในระบบเหล่านี้
ประสิทธิภาพที่ปรับปรุงดีขึ้นมาจากการผสมผสานการดัดแปลงพื้นผิวที่แตกต่างกันสามแบบในสเกลขนาดต่างๆ ผลการวิจัยใหม่ได้อธิบายไว้ในวารสารAdvanced Materialsในบทความโดย Youngsup Song PhD ’21 ที่เพิ่งจบการศึกษาจาก MIT, ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมของ Ford Evelyn Wang และอีกสี่คนที่ MIT นักวิจัยตั้งข้อสังเกตว่าการค้นพบครั้งแรกนี้ยังคงอยู่ในระดับห้องปฏิบัติการ และจำเป็นต้องมีการทำงานมากขึ้นเพื่อพัฒนากระบวนการในระดับอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริง
มีสองพารามิเตอร์หลักที่อธิบายกระบวนการเดือด: ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (HTC) และฟลักซ์ความร้อนวิกฤต (CHF) ในการออกแบบวัสดุ โดยทั่วไปจะมีการแลกเปลี่ยนระหว่างสองสิ่งนี้ ดังนั้นสิ่งใดที่ปรับปรุงหนึ่งในพารามิเตอร์เหล่านี้มักจะทำให้อีกค่าหนึ่งแย่ลง แต่ทั้งสองอย่างมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบ และตอนนี้ หลังจากทำงานมาหลายปี ทีมงานได้ประสบความสำเร็จในการปรับปรุงคุณสมบัติทั้งสองอย่างมีนัยสำคัญในเวลาเดียวกัน ผ่านการผสมผสานของพื้นผิวต่างๆ ที่เพิ่มเข้ากับพื้นผิวของวัสดุ
“พารามิเตอร์ทั้งสองมีความสำคัญ” Song กล่าว “แต่การเพิ่มพารามิเตอร์ทั้งสองเข้าด้วยกันนั้นค่อนข้างยุ่งยากเพราะพวกเขามีการแลกเปลี่ยนที่แท้จริง” เขาอธิบายเหตุผลว่า “เพราะถ้าเรามีฟองอากาศจำนวนมากบนพื้นผิวที่เดือด นั่นหมายถึงการต้มนั้นมีประสิทธิภาพมาก แต่ถ้าเรามีฟองอากาศมากเกินไปบนผิวน้ำ พวกมันก็จะรวมตัวกันซึ่งจะกลายเป็นไอ ฟิล์มบนพื้นผิวที่เดือด” ฟิล์มดังกล่าวมีความต้านทานต่อการถ่ายเทความร้อนจากพื้นผิวที่ร้อนไปสู่น้ำ “ถ้าเรามีไอระเหยระหว่างพื้นผิวกับน้ำ ซึ่งจะขัดขวางประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนและลดค่า CHF” เขากล่าว
Song ซึ่งปัจจุบันเป็น postdoc ที่ Lawrence Berkeley National Laboratory ได้ทำการวิจัยส่วนใหญ่ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของงานวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาเอกของเขาที่ MIT ในขณะที่ส่วนประกอบต่างๆ ของการรักษาพื้นผิวใหม่ที่เขาพัฒนาขึ้นได้รับการศึกษาก่อนหน้านี้ นักวิจัยกล่าวว่างานนี้เป็นครั้งแรกที่แสดงให้เห็นว่าวิธีการเหล่านี้สามารถรวมกันเพื่อเอาชนะการประนีประนอมระหว่างสองพารามิเตอร์ที่แข่งขันกัน
การเพิ่มชุดของโพรงขนาดเล็กหรือรอยบุบลงบนพื้นผิวเป็นวิธีหนึ่งในการควบคุมวิธีที่ฟองอากาศก่อตัวขึ้นบนพื้นผิวนั้น ทำให้พวกมันถูกตรึงไว้กับตำแหน่งของรอยบุบอย่างมีประสิทธิภาพ และป้องกันไม่ให้กระจายออกไปในฟิล์มทนความร้อน ในงานนี้ นักวิจัยได้สร้างรอยบุบกว้าง 10 ไมโครเมตร โดยคั่นด้วยขนาดประมาณ 2 มม. เพื่อป้องกันการก่อตัวของฟิล์ม แต่การแยกตัวนั้นยังช่วยลดความเข้มข้นของฟองอากาศที่ผิวน้ำ ซึ่งสามารถลดประสิทธิภาพการต้มได้ เพื่อชดเชยสิ่งนี้ ทีมงานได้แนะนำการรักษาพื้นผิวที่มีขนาดเล็กกว่ามาก โดยทำให้เกิดการกระแทกและสันเขาเล็กๆ ในระดับนาโนเมตร ซึ่งจะช่วยเพิ่มพื้นที่ผิวและส่งเสริมอัตราการระเหยภายใต้ฟองอากาศ
ในการทดลองเหล่านี้ โพรงถูกสร้างขึ้นตรงกลางของเสาหลายต้นบนผิววัสดุ เสาเหล่านี้เมื่อรวมกับโครงสร้างนาโนจะส่งเสริมการดูดของเหลวจากฐานไปยังยอดของมัน และสิ่งนี้จะช่วยปรับปรุงกระบวนการเดือดโดยให้พื้นที่ผิวสัมผัสกับน้ำมากขึ้น เมื่อรวมกันแล้ว “ชั้น” ทั้งสามของพื้นผิว – การแยกช่อง, เสาและพื้นผิวระดับนาโน – ให้ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นอย่างมากสำหรับกระบวนการเดือด Song กล่าว
“โพรงขนาดเล็กเหล่านี้กำหนดตำแหน่งที่ฟองสบู่ขึ้นมา” เขากล่าว “แต่โดยแยกช่องว่างเหล่านั้นออกเป็น 2 มม. เราแยกฟองอากาศออกและลดการรวมตัวกันของฟองอากาศให้เหลือน้อยที่สุด” ในเวลาเดียวกัน โครงสร้างนาโนส่งเสริมการระเหยภายใต้ฟองอากาศ และการกระทำของเส้นเลือดฝอยที่เกิดจากเสาส่งของเหลวไปยังฐานฟอง ที่รักษาชั้นของน้ำของเหลวระหว่างพื้นผิวที่เดือดและฟองอากาศของไอซึ่งช่วยเพิ่มการไหลของความร้อนสูงสุด
แม้ว่างานของพวกเขาจะยืนยันว่าการผสมผสานของการรักษาพื้นผิวประเภทนี้สามารถทำงานได้และบรรลุผลตามที่ต้องการ แต่งานนี้ทำภายใต้สภาพห้องปฏิบัติการขนาดเล็กที่ไม่สามารถปรับขนาดให้เหมาะกับอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริง Wang กล่าว “โครงสร้างประเภทนี้ที่เราสร้างขึ้นไม่ได้มีไว้เพื่อปรับขนาดในรูปแบบปัจจุบัน” เธอกล่าว แต่ถูกนำมาใช้เพื่อพิสูจน์ว่าระบบดังกล่าวสามารถทำงานได้ ขั้นตอนต่อไปคือการหาวิธีอื่นในการสร้างพื้นผิวประเภทนี้ เพื่อให้วิธีการเหล่านี้สามารถปรับขนาดให้มีขนาดที่ใช้งานได้จริงได้ง่ายขึ้น
“การแสดงว่าเราสามารถควบคุมพื้นผิวด้วยวิธีนี้เพื่อให้ได้รับการปรับปรุงเป็นขั้นตอนแรก” เธอกล่าว “จากนั้น ขั้นตอนต่อไปคือการคิดถึงแนวทางที่สามารถปรับขนาดได้มากขึ้น” ตัวอย่างเช่น แม้ว่าเสาบนพื้นผิวในการทดลองเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้วิธีคลีนรูมที่ใช้กันทั่วไปในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์ แต่ก็มีวิธีอื่น ๆ ที่มีความต้องการน้อยกว่าในการสร้างโครงสร้างเช่นอิเล็กโทรด นอกจากนี้ยังมีวิธีต่างๆ มากมายในการผลิตพื้นผิวที่มีโครงสร้างนาโนของพื้นผิว ซึ่งบางวิธีอาจปรับขนาดได้ง่ายกว่า
อาจมีการใช้งานขนาดเล็กที่สำคัญบางอย่างที่สามารถใช้กระบวนการนี้ในรูปแบบปัจจุบันได้ เช่น การจัดการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ พื้นที่ที่มีความสำคัญมากขึ้นเนื่องจากอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์มีขนาดเล็กลง และการจัดการความร้อนที่ปล่อยออกมามีความสำคัญมากขึ้น “มีพื้นที่ตรงนั้นซึ่งมีความสำคัญจริงๆ” วังกล่าว
แม้แต่การใช้งานประเภทดังกล่าวก็ยังต้องใช้เวลาในการพัฒนา เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วระบบการจัดการความร้อนสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะใช้ของเหลวอื่นๆ ที่ไม่ใช่น้ำ ซึ่งเรียกว่าของเหลวไดอิเล็กตริก ของเหลวเหล่านี้มีแรงตึงผิวและคุณสมบัติอื่นๆ ที่แตกต่างจากน้ำ ดังนั้นจึงต้องปรับขนาดของลักษณะพื้นผิวให้เหมาะสม การทำงานกับความแตกต่างเหล่านี้เป็นขั้นตอนต่อไปสำหรับการวิจัยที่กำลังดำเนินอยู่ Wang กล่าว
เทคนิคการจัดโครงสร้างหลายมาตราส่วนเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้กับของเหลวต่างๆ ได้ Song กล่าว โดยการปรับขนาดให้คำนึงถึงคุณสมบัติต่างๆ ของของเหลว “รายละเอียดเหล่านี้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ และนั่นอาจเป็นขั้นตอนต่อไปของเรา” เขากล่าว
ทีมงานยังรวมถึง Carlos Diaz-Martin, Lenan Zhang, Hyeongyun Cha และ Yajing Zhao ทั้งหมดที่ MIT งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดย Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) สำนักงานวิจัยทางวิทยาศาสตร์ของกองทัพอากาศ และ Singapore-MIT Alliance for Research and Technology และใช้ประโยชน์จากสิ่งอำนวยความสะดวกของ MIT.nano
