Il trasferimento di calore di condensazione svolge un ruolo essenziale nell'efficienza delle tecnologie industriali ad alta intensità energetica, compresa la generazione di energia, utilizzo dell'energia, desalinizzazione e raccolta dell'acqua, aria condizionata, e gestione termica dell'elettronica. È noto che la condensazione goccia a goccia sulla superficie idrofoba (Fig. 1A), dove il frequente rotolamento di goccioline condensate, per esempio. su superfici verticali, aiuta a rinfrescare la superficie esposta al vapore, ha un'efficienza di trasferimento del calore di ordine di grandezza superiore a quella della condensazione filmica sulle superfici idrofile (Fig. 1B). La promozione della condensazione goccia a goccia mediante modifica della superficie è stata quindi di grande interesse sin dalla sua scoperta. Però, la sfida di vecchia data per migliorare le prestazioni di trasferimento del calore di condensazione è migliorare sia la crescita delle goccioline che il rinfrescamento della superficie. Rispetto ai materiali idrorepellenti micro/nanostrutturati per l'autopulizia, riduzione della resistenza, anticorrosione e antiappannamento, è estremamente difficile creare superfici superidrofobiche di grandi aree in modo conveniente su metalli con elevata conduttività termica per soddisfare sia i requisiti meccanici dei fluidi che quelli termici.

Microreti metalliche con intreccio di canali liquidi, quali micro reti e microschiume di rame, sono stati ampiamente sfruttati in varie applicazioni industriali tra cui la separazione olio-acqua e il mezzo di supporto del catalizzatore grazie al loro basso costo e alla buona scalabilità. Queste reti e schiume di rame sono state utilizzate anche per migliorare la capacità di assorbimento dei liquidi per l'ebollizione ad alto flusso di calore e il trasferimento di calore per evaporazione. Però, manca ancora lo studio sistematico sul meccanismo fondamentale di condensazione del vapore sulle maglie tessute. Ronggui Yang e colleghi dell'Università del Colorado Boulder, Huazhong Università della Scienza e della Tecnologia, Università Jiaotong di Pechino, e Dalian University of Technology, ha presentato una superficie superidrofobica ricoperta di rete gerarchica (hi-mesh) per consentire un flusso di aspirazione continuo di condensa liquida (Fig. 1C), che sostiene prestazioni migliorate di trasferimento del calore di condensazione, sottoraffreddamento superficiale molto ampio. Questo lavoro, dal titolo "Sostenere una maggiore condensazione su superfici gerarchiche coperte da rete", è stato pubblicato in Rassegna scientifica nazionale .

In questo lavoro, le reti tessute in rame disponibili in commercio vengono utilizzate come materiali di partenza. Le caratteristiche strutturali tipiche delle superfici hi-mesh sono formate dall'incollaggio di una rete di rame intrecciata sul substrato di rame semplice (Fig. 1D). Nanostrutture di ossido di rame simili a coltelli ad alta densità si formano su tutte le superfici esposte del substrato e dei fili di rete (Fig. 1E), che fungono da siti di nucleazione per la formazione e la crescita delle goccioline. Durante la condensazione del vapore, le goccioline nucleate sul substrato crescono rapidamente e si uniscono per formare un sottile film liquido nei canali interconnessi tra il substrato e lo strato di rete tessuta. Quando le piccole goccioline che crescono sui fili della rete si fondono con il sottile film liquido, possono essere rimossi efficacemente trascinandoli nel film liquido, rinfrescante di superficie accelerante per la rinucleazione e la crescita delle goccioline sui fili della maglia. Con la coalescenza continua goccia-film, i canali di intreccio possono essere riempiti con condensa liquida. Una volta che il film liquido supera la pressione di Laplace e fuoriesce dallo strato di rete tessuta, il film liquido circostante può essere estratto continuamente sotto forma di goccioline che cadono guidate dalla gravità, con conseguente rapido rinfrescamento della superficie (Fig. 1F). Accoppiando la condensazione goccia a goccia ad alte prestazioni su fili di maglia e condensa a film liquido sottile nei canali di intreccio, la condensazione del flusso di aspirazione supera le prestazioni di trasferimento del calore della condensazione sia a film che a goccia (Fig. 1G).

Questo lavoro fa avanzare in modo significativo il campo del miglioramento del trasferimento di calore della condensa, compresi i materiali fabbricati scalabili, nuovo meccanismo di rimozione del liquido, e un miglioramento senza precedenti del trasferimento di calore. In particolare:(1) una superficie hi-mesh superidrofoba che può essere prodotta in modo scalabile viene fabbricata utilizzando reti commerciali a basso costo; (2) è stato dimostrato che un nuovo meccanismo di rimozione del liquido dal flusso di aspirazione promuove sia il rinfrescamento della superficie che la crescita delle goccioline; (3) Il miglioramento senza precedenti del trasferimento di calore di condensazione è dimostrato su un'ampia gamma di sottoraffreddamento superficiale, rispetto alla condensazione goccia a goccia all'avanguardia su altre superfici micro/nanostrutturate.

La dimostrazione di sostenere una condensazione potenziata sulle superfici a maglia alta non è solo di fondamentale importanza scientifica, rivelando la nuova rimozione del liquido potenziata dal flusso di aspirazione; affronta anche la sfida di lunga data di spingere i materiali micro/nanostrutturati nelle applicazioni pratiche. Colmando il divario tra le superfici idrorepellenti e i processi di trasferimento del calore a cambiamento di fase ad alte prestazioni, tali superfici a maglia alta a basso costo sono prontamente disponibili per essere implementate su larga scala per un'ampia gamma di applicazioni energetiche e idriche, compresa la generazione di energia, raccolta e desalinizzazione dell'acqua, aria condizionata, e gestione termica dell'elettronica.