三重设计大幅提高水沸腾效率

水沸腾的过程会消耗能量。据近日发表于《先进材料》杂志的一项研究，美国麻省理工学院研究人员开发了一种新颖的表面处理方式，能够使水更容易达到沸点，因此需要更少的能量。该处理改善了决定沸腾过程的两个关键参数：传热系数（HTC）和临界热通量（CHF）。

在材料设计中，HTC和CHF通常会存在权衡——其中任何一个参数的改进都会使另一个变得更糟。但两者对于烧水系统的效率都至关重要。现在，研究人员找到了可以同时改善这两种特性的方法。

由于热表面和水之间的任何蒸汽膜都会产生阻力，从而降低传热效率和CHF值。为了解决这个问题，研究人员设计了3种不同的表面改性方法。

首先，研究人员添加了一系列微米级的空腔管。这种10微米宽的阵列，间隔约2毫米，控制气泡的形成，并将气泡固定在空腔管上。这种分离会阻止蒸汽膜的形成。

研究人员还引入了一种更小的次级处理作为第二种改造，在空腔管的表面增加了只有纳米大小的凸起纹理。这增加了可用表面积，提高了蒸发率。

最后，空腔管被安置在材料表面的一系列柱体的中心。这些柱体通过增加更多的表面积来加速液体从底部向其顶部的芯吸过程。

表面处理的关键是添加几种不同尺寸的纹理。电子显微镜图像显示毫米级的带孔柱体（上两图），其表面覆盖有微小的纳米级凸起（下两图），以提高沸腾反应的效率。

图片来源：麻省理工学院官网

结合起来，表面纹理的三个层级——空腔管分离、纳米级纹理和柱体，大大提高了沸腾过程的效率。

由于纳米结构还促进了气泡下的蒸发，柱体保持了对气泡底座的稳定的液体供应，因此可在沸腾表面和气泡之间保持一层水，从而提高最大热通量。