Un equipo internacional de ingenieros ha desarrollado un método innovador y escalable para crear superficies de aluminio con patrones topográficos, mejorando las propiedades de transporte de fluidos importantes para aplicaciones en refrigeración de dispositivos electrónicos, tecnología de autolimpieza y sistemas antihielo. El estudio fue publicado recientemente Langmuir y realizado por el grupo de la Universidad Rice y la Universidad de Edimburgo como parte del programa del Premio a la Colaboración Estratégica Rice-Edimburgo, cómo las técnicas asequibles de enmascaramiento de vinilo pueden producir superficies con contraste de humectabilidad de alta resolución, allanando el camino para un mejor cambio de fase. Aplicaciones de transferencia de calor.
El equipo de investigación desarrolló una técnica novedosa que combina tratamientos superficiales físicos y químicos escalables para crear superficies de aluminio estampadas utilizando enmascaramiento de vinilo cortado con cuchilla y resinas de laca disponibles comercialmente. Estas superficies exhiben distintos contrastes de humectabilidad, lo que mejora significativamente el desprendimiento de gotas durante la condensación. Los patrones, con tamaños de características tan pequeños como 1,5 mm, proporcionan una gama de comportamiento de humectabilidad, desde superhidrófobo hasta hidrófilo, según el tratamiento.
“Este enfoque representa un importante paso adelante en la ingeniería de superficies personalizada”, dijeron Daniel J. Preston, profesor asistente de ingeniería mecánica en Rice, y Geoff Wehmeier, profesor asistente de ingeniería mecánica en Rice y coautor del artículo con Daniel. de la Universidad de Oregon Edimburgo. “Al permitir un control preciso sobre la humectabilidad de la superficie y las propiedades térmicas, estamos abriendo nuevas puertas para la producción escalable de superficies avanzadas de transferencia de calor”.
La investigación utilizó un enfoque multidisciplinario para desarrollar y analizar superficies de aluminio estampadas. Las máscaras de vinilo se aplicaron primero a sustratos de aluminio pulido, seguido de un proceso de grabado de dos pasos que produjo regiones micro y nanotexturadas. Luego, el equipo utilizó técnicas de imagen avanzadas para caracterizar la resolución y las propiedades de humectabilidad del patrón. Para evaluar el rendimiento, los experimentos de visualización de la condensación demostraron un mayor desprendimiento de gotas en superficies estampadas en comparación con las homogéneas. Además, el mapeo de la emisividad térmica mediante termografía infrarroja reveló contrastes significativos en la emisividad entre regiones lisas y texturizadas, destacando el potencial de la superficie para aplicaciones avanzadas de gestión térmica.
“El aluminio se utiliza ampliamente en dispositivos de gestión térmica, como los intercambiadores de calor, debido a su alta conductividad, baja densidad y bajo coste”, afirma Wehmeier. “Nuestro enfoque añade una nueva dimensión a su funcionalidad al integrar patrones de superficie que son rentables y escalables, lo que permite a los ingenieros ajustar la transferencia de calor por condensación. Este trabajo combinó la experiencia de Edimburgo y Rice para desarrollar y caracterizar estas superficies avanzadas. “
Los hallazgos tienen implicaciones importantes para las industrias que dependen de la transferencia de calor por cambio de fase con aplicaciones en la tecnología cotidiana. En el enfriamiento de dispositivos electrónicos, la eliminación mejorada de gotas reduce la resistencia térmica asociada con las gotas grandes durante la condensación, lo que puede permitir nuevas técnicas de enfriamiento para servidores de centros de datos u otros dispositivos electrónicos que dependen de una disipación de calor efectiva para evitar el sobrecalentamiento. Los patrones de emisión de calor personalizados optimizan la disipación de calor en entornos de alta temperatura, beneficiando a sistemas como motores de automóviles y componentes aeroespaciales. Además, las regiones superhidrófobas aceleran la eliminación de agua, evitando la formación de hielo en superficies críticas como alas de aviones, turbinas eólicas y líneas eléctricas durante condiciones de congelación. Estos avances brindan soluciones prácticas para aumentar la funcionalidad y confiabilidad de las tecnologías que las personas usan y en las que confían todos los días.
“Los métodos tradicionales como la fotolitografía suelen ser costosos y limitados a áreas pequeñas”, dijo Preston. “Nuestra técnica utiliza materiales asequibles y accesibles para crear patrones complejos en grandes superficies, lo que la hace adecuada para aplicaciones industriales y una técnica prometedora para diseñar condensadores e intercambiadores de calor de próxima generación”.
Los autores principales de este trabajo son Trevor Shimokusu (un doctor en ingeniería mecánica de Rice, ahora miembro de la facultad de la Universidad de Hawaii) y Hamish Thakkar (un graduado de Rice con una doble especialización en ingeniería química y mecánica, ahora estudiante de doctorado en Princeton Universidad).
Este trabajo fue apoyado por el Programa de Premios a la Colaboración Estratégica Rice-Edimburgo, un Premio a la Oportunidad de Investigación para Graduados en Tecnología Espacial de la NASA y subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias.