I condensatori sono una parte cruciale degli odierni sistemi di generazione di energia:circa l'80% di tutte le centrali elettriche del mondo li usa per trasformare il vapore in acqua dopo che è uscito dalle turbine che azionano i generatori. Sono anche un elemento chiave negli impianti di dissalazione, un contributore in rapida crescita alla fornitura mondiale di acqua dolce.

Ora, una nuova architettura di superficie progettata dai ricercatori del MIT promette di aumentare significativamente le prestazioni di tali condensatori. La ricerca è descritta in un paper appena pubblicato online sulla rivista ACS Nano dal postdoc del MIT Sushant Anand; Kripa Varanasi, il Doherty Associate Professor di Ocean Utilization; e lo studente laureato Adam Paxson, il postdoc Rajeev Dhiman e l'affiliato di ricerca Dave Smith, tutto il gruppo di ricerca di Varanasi al MIT.

La chiave per la migliore superficie idrofoba (dispersione d'acqua) è una combinazione di motivi microscopici, una superficie coperta da piccoli rilievi o perni di soli 10 micrometri (milionesimi di metro) di diametro, delle dimensioni di un globulo rosso e un rivestimento di un lubrificante, come l'olio. I minuscoli spazi tra i montanti trattengono l'olio in posizione attraverso un'azione capillare, i ricercatori hanno scoperto.

Il team ha scoperto che le gocce d'acqua che si condensavano su questa superficie si muovevano di 10, 000 volte più veloce rispetto alle superfici con il solo motivo idrofobo. La velocità di questo movimento delle goccioline è la chiave per consentire alle goccioline di cadere dalla superficie in modo che se ne possano formare di nuove, aumentare l'efficienza del trasferimento di calore in un condensatore di una centrale elettrica, o il tasso di produzione di acqua in un impianto di desalinizzazione.

Con questo nuovo trattamento, "le gocce possono scivolare sulla superficie, "Varanasi dice, fluttuano come dischi su un tavolo di air-hockey e sembrano UFO in bilico, un comportamento che Varanasi afferma di non aver mai visto in più di un decennio di lavoro su superfici idrofobiche. "Queste sono solo velocità folli."

La quantità di lubrificante necessaria è minima:forma uno strato sottile, ed è fissato saldamente in posizione dai montanti. Qualsiasi lubrificante perso viene facilmente sostituito da un piccolo serbatoio sul bordo della superficie. Il lubrificante può essere progettato per avere una pressione di vapore così bassa che, Varanasi dice, "Puoi anche metterlo nel vuoto, e non evapora."

Un altro vantaggio del nuovo sistema è che non dipende da nessuna particolare configurazione delle minuscole trame sulla superficie, purché abbiano le dimensioni giuste. "Può essere prodotto facilmente, " dice Varanasi. Dopo che la superficie è strutturata, il materiale può essere immerso meccanicamente nel lubrificante ed estratto; la maggior parte del lubrificante defluisce semplicemente, e "solo il liquido nelle cavità è trattenuto da forze capillari, " dice Anand. Perché il rivestimento è così sottile, lui dice, ci vuole solo da un quarto a mezzo cucchiaino di lubrificante per rivestire un metro quadrato di materiale. Il lubrificante può anche proteggere la superficie metallica sottostante dalla corrosione.

Varanasi prevede ulteriori ricerche per quantificare esattamente quanto miglioramento è possibile utilizzando la nuova tecnica nelle centrali elettriche. Poiché le turbine a vapore sono onnipresenti nelle centrali elettriche a combustibili fossili del mondo, lui dice, "anche se risparmia l'1 per cento, è enorme" nel suo potenziale impatto sulle emissioni globali di gas serra.

Il nuovo approccio funziona con un'ampia varietà di strutture superficiali e lubrificanti, dicono i ricercatori; hanno in programma di concentrare la ricerca in corso sulla ricerca di combinazioni ottimali per costi e durata. "C'è molta scienza nel modo in cui si progettano questi liquidi e trame, "Dice Varanasi.

Daniel Beysens, direttore di ricerca del Laboratorio di Fisica e Meccanica dei Media Eterogenei presso ESPCI a Parigi, afferma il concetto alla base dell'utilizzo di un liquido lubrificante intrappolato da una superficie nanostrutturata, è "semplice e bello. Le gocce si nucleeranno e poi scivoleranno giù abbastanza facilmente. E funziona!"

Tale ulteriore ricerca sarà aiutata da una nuova tecnica che Varanasi ha sviluppato in collaborazione con ricercatori tra cui Konrad Rykaczewski, uno scienziato ricercatore del MIT attualmente con sede presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) di Gaithersberg, Md., insieme a John Henry Scott e Marlon Walker del NIST e Trevan Landin della FEI Company. Questa tecnica è descritta in un articolo separato anch'esso appena pubblicato in ACS Nano .

Per la prima volta, questa nuova tecnica ottiene diretta, immagini dettagliate dell'interfaccia tra una superficie e un liquido, come le goccioline che si condensano su di esso. Normalmente, quell'interfaccia, la chiave per comprendere i processi di bagnatura e dispersione dell'acqua, è nascosta alla vista dalle goccioline stesse, Varanasi spiega, quindi la maggior parte delle analisi si è basata sulla modellazione al computer. Nel nuovo processo, le goccioline vengono rapidamente congelate in posizione sulla superficie, sezionato in sezione con un fascio ionico, e poi ripreso con un microscopio elettronico a scansione.

"Il metodo si basa sulla conservazione della geometria dei campioni attraverso il congelamento rapido in fanghiglia di azoto liquido a meno 210 gradi Celsius [meno 346 gradi Fahrenheit], " Rykaczewski dice. "Il tasso di congelamento è così veloce (circa 20, 000 gradi Celsius al secondo) che l'acqua e altri liquidi non cristallizzino, e la loro geometria è preservata."

La tecnica potrebbe essere utilizzata per studiare molte diverse interazioni tra liquidi o gas e superfici solide, dice Varanasi. "È una tecnica completamente nuova. Per la prima volta, siamo in grado di vedere questi dettagli di queste superfici."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.