Горячая вода, молоко, кофе и даже густой гороховый суп — все эти жидкости обычно становятся настоящим испытанием для водоотталкивающих покрытий. Но исследователи из Rice University предложили решение: многослойное теплоизолированное супергидрофобное покрытие, способное сохранять «сухость» даже при температурах, близких к кипению.
Разработка получила название MISH (multilayered insulated superhydrophobic coating) — многослойное изолированное супергидрофобное покрытие. И, что особенно интересно, ученые пошли нестандартным путем: вместо того чтобы совершенствовать только химию и микроструктуру поверхности, они сосредоточились на управлении теплопередачей.
Почему супергидрофобная поверхность «боится» тепла?
Супергидрофобные поверхности — это материалы, которые практически не смачиваются водой. Они работают по принципу листа лотоса: капли не растекаются, а собираются в шарики и скатываются при малейшем наклоне.
Секрет — в микроскопической текстуре и воздушных карманах, которые образуются между каплей и поверхностью. Вода фактически «сидит» на подушке из воздуха. Но стоит температуре подняться выше 40 °C — и начинаются проблемы.
Горячие капли быстро охлаждаются при контакте с поверхностью. Возникает цикл испарения и повторной конденсации: пар заполняет текстуру, вытесняет воздух и создает так называемые жидкостные мостики. В итоге капля уже не скользит — она прилипает. Поверхность теряет свои свойства буквально на глазах.
Принцип действия: изоляция вместо химии
Команда под руководством Дэниела Престона (Daniel J. Preston), доцента кафедры машиностроения Rice University, предложила элегантное решение — добавить теплоизоляционный слой.
Конструкция MISH состоит из двух уровней:
- нижний слой — напыляемая полиуретановая пена, выполняющая роль теплоизоляции;
- верхний слой — микротекстурированное супергидрофобное покрытие промышленного производства.
Изоляция замедляет отвод тепла от горячей капли к поверхности. Это снижает интенсивность испарения и повторной конденсации внутри текстуры. Меньше конденсата — меньше жидкостных мостиков — лучше сохраняется водоотталкивающий эффект.
В результате капли воды с температурой до 90 °C (примерно 194 °F) продолжают скатываться, словно поверхность остается совершенно сухой.
По словам Престона, ранее подобные задачи решались чрезвычайно сложно и могли обходиться в тысячи раз дороже. Их метод оказался до 4000 раз экономичнее — и при этом масштабируемым.
Испытания вне лаборатории
Чтобы проверить надежность, исследователи устроили покрытию настоящий «душ» из горячих капель. За неделю на образцы обрушилось почти два миллиона ударов.
Обычные супергидрофобные покрытия деградировали практически сразу. А поверхности MISH — особенно с более толстым изоляционным слоем — сохраняли свойства более 80 часов, выдержав около миллиона воздействий, прежде чем начали постепенно терять эффективность.
Интересно, что слабым звеном оказалась не сама концепция теплоизоляции, а коммерческий верхний слой. Это означает, что при использовании более прочных и термостойких материалов срок службы может значительно увеличиться.
Ученые также протестировали покрытие на крупных металлических пластинах, изогнутых трубах и оборудовании. В качестве «агрессивных» жидкостей использовали горячее молоко, кофе и даже густой гороховый суп. После контакта с поверхностями MISH оставалось менее 1 % остатка жидкости. Для сравнения: на стандартных покрытиях оседало более 31 %.
Почему это важно?
На первый взгляд — всего лишь «неприлипающее» покрытие. Но если задуматься, эффект может быть гораздо шире.
В пищевой промышленности это означает меньше загрязнений и проще очистку оборудования. В энергетике — защиту трубопроводов и теплообменников. В химической отрасли — снижение риска накопления отложений. Любая система, где циркулируют горячие жидкости, может выиграть от такой технологии.
Как отмечает Престон, если удается предотвратить прилипание горячих жидкостей, автоматически исчезает множество сопутствующих проблем — от коррозии до потери эффективности оборудования.
Исследование опубликовано в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, а команда уже работает над более долговечными архитектурами покрытия и альтернативными способами нанесения.
