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水晶元件:从加热,超疏水表面的晶体自喷

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十搏欧洲杯直播官网2021年4月28日:
7卷,没有。18日,eabe6960
DOI:10.1126 / sciadv.abe6960

抽象的

矿物或晶体污垢(沉淀剂对沉淀剂的积累和相同的损伤)是水处理,热电电力生产和众多工业过程中的普遍存在问题。日益增长的努力集中在材料工程策略(例如,超疏水性)上,以防止污垢。在这里,我们呈现了一种奇妙的现象,其中在盐水滴水中蒸发过程中从加热的纳米纹理的超疏水材料中晶体自弹射。这些晶体结构(晶体晶体)与基板具有极其最小的接触,从而预先晶体污垢。这种不寻常的现象是由结晶,蒸发流动和纳米级效应的协同效果引起的。可以使用大规模保护原理预测对压力效应的温度依赖性,并且我们证明了可以通过温度梯度产生自推进,这促进不对称的生长。关于限制驱动的蒸发结晶的见解可以应用于通过自喷射矿物污垢,用于基于滴流的流体机器,甚至是自我推进的防污。

介绍

水的许多用途都很熟悉我们。饮用水,洗水,农业用水,甚至用于娱乐的水对我们的生活对我们的生活产生了一定的影响。然而,水的影响和重要性远远超出了这些日常用途。在许多发达国家,热电产量是最大的耗水来源之一(1),它用于冷却反应器和运输热量。2015年,美国的41%的地表措施在热电发电厂(2)。热电能源占美国境内所有电力的90%,包括多种形式的电力生产,包括核,煤炭,天然气和油。

在其作为冷却剂的作用下,水被喷到、流过或以其他方式与热设备(管道、储罐、反应堆等)接触。由于与相变相关的大量传热,许多冷却过程将蒸发作为热交换的重要组成部分。然而,当水蒸发时,水中的污染物(包括矿物质)将在蒸发点沉淀。随着时间的推移,这些杂质的积累会降低传热性能,阻塞管道,通常会导致材料腐蚀和变质(3.)。特别是矿物污染是热交换过程中设备劣化和失效的主要原因(4.)。

为了防止矿物污染,相当大的努力和货币投资使用离子交换和反渗透等技术进行了对冷却液水的预处理(2)。由于节约用水的重要性日益增加(5.),越来越多用于热电冷却的水来自含盐的地表水或脱盐废水,而不是淡水资源(6.)尽管预处理成本相关的增加。因此,用于控制盐衬底相互作用的表面工程变得越来越有吸引力,作为预防矿物污垢的预处理(7.)。材料的润湿性质(也称为疏水性和超疏水性)是寻求消除通过表面工程污染的调查的主要重点(8.)。然而,矿物污垢是多相问题,并且晶体和衬底之间的相互作用和晶体和液体之间的相互作用对于确定污垢倾销同样重要的是,液体和基板之间的相互作用(通常是接触角的特征)()9.-11.)。

检查液体,表面和结晶溶质之间相互作用的一种方法是通过下降蒸发。传统上,下降蒸发实验是通过自组装,喷墨印刷和传感/诊断的应用激励(12.13.)。之前的研究表明,该技术也可用作探索晶体粘附和界面性质的方法(11.)并可以告知如何发生由结晶引起的表面(14.)。界面性质(15.)和成核障碍(16.)与不同的晶体化学控制沉积物的形态,使我们可以从液滴蒸发实验中推断出材料的防污性能。

蒸发一滴含有非挥发性溶质的挥发性液体将导致该溶质由于浓度上升而结晶,最终超过溶解度极限。对于低溶解度的溶质,蒸发结晶留下的图案类似于带颗粒的液滴蒸发形成的“咖啡环”图案(11.12.16.)。但是,当溶解质量过大时,就可能产生三维晶体结构(17.18.)。特别地,当在疏水表面上蒸发含有饱和氯化钠的液滴时,由于在空气/水界面(18.)。在达到溶解度极限后,这些球体复制了蒸发液滴的形状。

在这里,我们报告了一种意想不到的异常现象,其中由蒸发水滴的晶体结构从加热的超疏水表面(19.20.)。这种自喷射通过蒸发结束阶段的晶体“腿”的生长发生,这导致整个晶体结构从表面喷射(21.)。由于在自喷射期间产生的令人毛骨运动和晶体结构与生物形式的相似性,我们术语由盐球和腿部“晶体细胞”组成的所得结构组成的所得结构组成。19.20.)。这种显着的效果可以使用在脱盐期间产生的浓缩盐水来设计极端防污系统,用于使用浓缩盐水喷射热表面。这种效果也对跌落悬浮/运输应用的感兴趣,传统上是通过加热表面到过于流体沸点的温度(22.)。在这种leidenfrost悬浮中,蒸发流动在下降和表面之间产生润滑蒸气缓冲(22.)。相比之下,在传统的莱顿弗罗斯特效应(200°C)中,在前先前观察到的压力效应比先前观察到的较低温度(60°至100°C),甚至在超疏水材料上的冷 - 制度莱顿(〜130°C)(23.-25.)。我们证明了这种低温喷射是通过结晶、蒸发流动和纳米尺度现象的协同效应来完成的。

结果

我们的实验涉及蒸发含有氯化钠(NaCl)的5μL水滴,溶解于其在温度的纳米制荫的超疏水表面上的溶解度极限T.图。1A)。我们称这种纹理“纳米草”,这是一种低稳定的分数纹理,由尖尖的草地特征和山谷组成,如图所示图。1B26.)。因为初始溶液相对于盐饱和(浓度=C),由于蒸发而导致的水容量损失(V.逃避)导致相应的析出晶体质量增加:M = CV.逃避。晶体的即时生长如图1所示图1C.,其中盐晶体在将纳米腺中加热至90℃的纳米草上沉积后仅生长几秒钟。盐晶体在空气/水界面积聚(11.27.)代替在基板或三相接触线上以形成地球状结构(18.)使液体大理石效应的激动(28.)。

图。1 晶体生物的生长。

一种)实验原理图,一滴含有溶解盐的水被蒸发在热的、超疏水的衬底上。(B.)扫描电子显微镜(SEM)图像显示超疏水纳米草草草的纳米纹理。秤条,3μm。(C)在90℃的基板温度下,从5μl下降的晶体细胞的生长。秤杆,0.5毫米。(D.)作为温度函数的蒸发时间。整个条表示总蒸发时间,蓝色部分是腿部生长前的第一阶段,橙片段是腿部蒸发的第二阶段。(E.)随着时间的函数的腿部的生长,其中最低温度(紫色,右线)为60°C和最热(红色,最左侧线)是110°C。

生物效应发生在蒸发的第二阶段。在盐球形成之后,由于亲水盐晶体的优先润湿,残留的水突然从基材中脱湿。我们称这个时刻为起飞时间(T.电梯),并且在第二个图像中示出了这一刻的示例图1C.。在此之后,水触点被限制在晶体接触基板的点上。在基板表面处的连续蒸发引起从盐结构的上部朝向基板的蒸发水流。由于这种流动,结晶腿在这些接触点处发育并继续长度生长,直至水的蒸发完成。我们称第二阶段蒸发增长阶段(T.生长,使总蒸发时间T.逃避=T.电梯+ T.生长),如最后两个面板所示图1C.

晶体结构与衬底之间的接触点如图所示图1C.分支成多条腿,朝向蒸发结束时逐渐变蒸发,类似于蒸发盐溶液的盐树(29.)。这种逐渐变细的效应是由于在过程的最后,水(因此溶解的盐)更少。由此产生的结构是一个平衡在支腿上的水晶球,与基材的附着力有限(或没有)。最后一列的图像图1C.显示基板和盐结构之间的间隙,并且只有两个位置,其中腿接触表面。由于这种最小的接触,晶体渣油易于移除,偶尔将在蒸发期间或蒸发后立即滚动(见电影S1)。

生物效应是温度的一个强函数,如图1(d)和(e)。低于〜50°C的底物温度,我们没有观察到脱模事件或随后与晶体混凝器形成相关的后续腿部生长。然而,注意,在平滑表面的相关效果的较低温度下观察到晶体的垂直喷射(参见光滑表面上的更多信息)(21.)。Critter地层的表观温度限制可能与高温纹理中的空气/蒸气层的增强稳定性有关(25.30.-32.)并且提示空气层在触发脱水事件中的重要性导致反射器生长。在高于〜50℃的表观限度的基板温度下,压力生长变得更加标记。如预期的那样,蒸发时间随温度的增加而降低。提升前的时间与生长时间之间的比率随着温度的增加而降低(图。1D)。因此,在较热基板上形成的细菌倾向于早于更凉的基板上的升空,如图所示图1E.。增长率(在图1E.)在底板温度下也显着增加,导致更大的最终腿部高度在较热的基板上。

我们现在试图了解纳米林界面处的压力腿的生长。落下的纳米枝特征的峰值,使得孔/谷内的空气(胸壁)分离液体,如图所示图2(a)和(b)(剩下) (33.)。但是,与使用掩模进行高度控制的功能制造的一些微观纹理不同,这种纹理也有些随机性,并且在孔径,孔深度,局部几何和峰值特征的高度上表现出微小的变化(参见图。1B和插图图2A)。因此,虽然大部分液滴被悬浮在草地峰上,但是材料随机性(特别是在局部下峰值高度和较高的谷地板的区域的情况下,落下放置期间的时剧性可以使空气层的局部位移能够实现纹理毛孔中的水烫伤。原理图的右侧图。2B图示了这种局部刺穿,而左侧图示了预计将构成跌落和衬底之间的大部分接触区域的悬浮壳体。

图2 水晶菌腿是管子。

一种)示意图显示纳米草表面上的掉落。Inset是SEM图像,显示纳米草的孔几何形状。秤条,2μm。(B.)纳米草纹理示意图。大多数液滴停留在超疏水结构内的一层板上,但液体可能撞击在小的局部区域。(C)在放置在表面上的表面后立即下降的顶视图,显示出液体在质地内冒险的小型局部区域。秤栏,1毫米。(D.)SEM图像显示外周边也被沉积的盐渍细节。外径为〜32μm,内径为约25μm。秤杆,5μm。(E.)SEM图像的盐渍污迹揭示了前面的捕手腿的地方。秤条,200μm。(F)靠近表面的压力腿的光学图像,其中仍然以黄色勾勒出仍然连接到表面的小管。(G)在一个表面上留下的管子底部的扫描电镜图像。比例尺,20 μm。

我们通过光学显微镜对液滴和纳米草表面之间的界面进行成像图2C.)。此图像显示在丢弃后不久的视图,揭示了许多似乎将局部流体幻觉造成纹理的小凹坑。这些凹坑中最大的直径〜250至300μm的近似直径,具有多个较小的凹坑可见,但在5μl下降的宏观上差异很差。我们假设它位于这些区域,具有最大的固体液体接触,水晶腿将生长。但是,请注意,并非所有的凹陷区域图2C.必然形成腿。如图所示图。1,触发器触发器生长的脱模事件将液体/衬底接触减少到仅晶体在表面上休息的那些位置。因此,腿将仅在局部冲击的位置增长,并且在后面的情况下也保持与水晶球接触T.电梯

在生物生长和排出后,使用扫描电子显微镜(SEM)对基质进行成像(图2,D和E)。图2E.可见大量的盐斑,直径10 ~ 270 μm。大多数染色都在这一光谱的小端,其中一个大的染色直径为270 μm。光学观察到的酒窝的估计大小和最大的污点的大小之间的一致性(注意,与较小的污点相关的区域将不可见图2C.)提供了进一步的证据,这些区域是相同的。仔细检查特定的盐渍染色图2D,插图表明污渍由底物纳米孔内的少量残基组成。盐残基的存在不会改变基材和下降之间的表观润湿性或热传递,使得在给定位置处能够无限期地重复对压力生长。有关残留物污渍的更多例子和图3和图3,见图4.S3和S4用于腿的更多图像。

电影晶体反射器的生长清楚地显示水流(通过泡沫运动表示)通过腿朝向基板(见电影S2),表明腿是空心的,结晶管。图2f.示出了完全蒸发的晶体压力器和基板之间的区域的光学图像,其中黄色轮廓突出显示腿的底部已经留在基板上的位置。通过SEM并显示类似的结构图2G,确认压力腿似乎是中空管。这些类似管状腿以镜子观察到的咖啡环效果的方式生长,以蒸发液滴,而是在明显较小的规模上。在咖啡环效果中,由于径向流动传送颗粒朝向接触线(12.)。在这里,蒸发只限于如图所示的局部刺穿点图2 (C)和(E)。蒸发流动将盐传输到这些点以产生圆形沉积物(例如其中一个图2D)。沉积物向外增长,并且由于蒸发流动并且在管底部的新晶体生长而同时向上推动。因此,当给定的结晶环水平生长时,它也垂直地(远离基板),并且所得到的腿部结构是锥体的腿部结构。水向下移动该锥形管,直至由于水完全蒸发而生长终止。

关于不同数量的腿部发生的统计数据(图3A),并根据其腿的大小(图3B.)被编制了。腿部的似乎是随机的,从假设遵循腿形成在局部流体释放到剥离时间的基板纹理的位置,这预期是可变的。如果有几个这样的点,并且当存在较少的速度点时,给定的晶体压力器将形成几条腿。腿部直径的统计(即,易旋转点的直径)表现出更具结构化分布,其中大部分腿直径在10到40μm之间。中值直径为30μm。

图3. 动物腿的统计。

一种腿的数量在不同生物结构上的分布。(B.)分布显示外半径的盐渍。

为了更好地理解这种现象,在额外的底物纹理上进行实验(图4.)。未致纹化的疏水表面(图4A,浅金线图4F.)在这些实验中没有表现出鲜明的腿部的形成。但是,晶体结构的少量垂直“提升”图4A,如中间和最终时间点中的最大沉积高度的差异所证明(参见注释S1和图3. S1以获取更多时间点)。在蒸发初始相位期间晶体不会将晶体未引脚到下面的底层(21.)。在蒸发过程中捕获从下降的结晶期限基本上是界面性质的函数(11.21.),这也将决定是否会出现垂直增长。与生物效应一样,光滑疏水表面上接近蒸发终点的垂直升力可以归因于晶体和衬底之间形成的毛细管桥(21.)。类似地,平滑表面上的垂直喷射的速率随着衬底温度的增加而增加;以前归因于温度依赖性晶体生长的效果(21.)。然而,在本实验的光滑表面上,我们不观察到一个可辨别的T.电梯从基材上明显脱水并触发腿部生长(如图所示)图1C.)。

Fig. 4 Critters grow due to nanoscale confinement.

From left to right, images in (A) to (E) show SEM of substrate texture, initial drop contact angle, intermediate step where crystals have begun to form, and final crystalline deposit formed by evaporation on substrates heated to 70°C for (A) hydrophobic smooth silicon, (B) superhydrophobic nanograss (i.e., the same texture used in Figs. 1 and 2), (C) superhydrophobic microposts, (D) superhydrophobic microposts further textured with nanograss, and (E) superhydrophobic microholes. SEM images for (A) to (E) are 50 μm wide. (F) Contact line radius with time for each substrate. Green line shows superhydrophobic nanograss surface, light gold line shows hydrophobic untextured surface, dark gray corresponds to the superhydrophobic micropost surface, black corresponds to the superhydrophobic nano-micro composite surface, and lavender to the superhydrophobic microholes. (G) Illustration showing process of crystal intrusion into microtextures that leads to the Cassie-Wenzel transition on micropost surfaces. (H) SEM image of salt deposit inside the microtexture of the superhydrophobic microposts and nanograss substrate (D).

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图4. 由于纳米尺度限制,生物增长。

从左到右,在(a)到(e)中的图像显示衬底纹理的SEM,初始下降接触角,中间步骤,其中晶体已经开始形成,并且通过在加热至70℃的底物上蒸发形成的最终结晶沉积物(一种)疏水光滑硅,(B.)超疏水纳米草(即,使用相同的纹理图1和2),(C)超疏水微孔,(D.)超疏水微孔,进一步纹理纳米草,和(E.)超疏水的微孔。(a)至(e)的SEM图像为50μm宽。(F)各基板接触线随时间的半径。绿色线为超疏水纳米草表面,浅金色线为疏水非纹理表面,深灰色对应超疏水微柱表面,黑色对应超疏水纳米微复合表面,薰衣草色对应超疏水微孔。(G)显示晶体侵入过程的图示,导致Micropost表面上的Cassie-Wenzel过渡。(H)超疏水微孔和纳米草基质(D)的微织物内的盐沉积的SEM图像。

如前所述,超疏水纳米草(纹理长度尺度,~0.1 ~ 1 μm) (图4B.,绿线图4F.)成功形成了生物。然而,由纹理长度为10μm的纹理长度尺度的另一个超疏水纹理构成,呈现为10μm的呈现无垂直生长或喷射现象(图4C.,深灰色线图4F.)尽管具有类似于纳米草原纹理的接触角。下降开始于卡西状态(悬浮在微孔上),但随着蒸发的蒸发进入(参见中级时间),慢慢地载入Wenzel状态(员工之间)图4C.)(34.)。缓慢的过渡和随后的径向扩展显示在图4F.与通常观察到的快速转变对比微孔纹理上的超疏水性崩溃的快速转变对比35.)。在具有分级纳米草纹理的微柱表面上也观察到了水平扩展和向刺穿温泽尔状态的过渡(图4D,黑线图4F.),表明微观纹理仍然破坏了纳米级纹理的存在。具有10μm平方孔的超疏水微孔基材的实验(图4E.,薰衣草线图4F.)也不能形成水晶分泌物。该最终结果表明,由于纳米草孔的山谷状结构,它是在压力效果中重要的纹理的长度尺度,而不是通过一些蒸汽捕获效果。

在具有微尺度纹理的超疏水表面上,垂直生长和喷射的缺失可以归因于这些纹理中的结晶(图4G.)。微观空气/水界面的结晶引起侧向流动,由于新核盐晶的亲水性(14.),然后,这彻底影响了Cassie和Wenzel国家之间的过渡(36.)。该观察结果与先前的研究一致,探索氯化钠溶液对加热的超疏水表面的蒸发,其中没有发生剥离/喷射(18.21.)。类似地,在由纳米草顶部的微柱组成的分层结构上,晶体生长在结构内(或在结构内)引起了半月板的刺穿,盐晶体出现在结构的山谷中。与光滑疏水材料相比,微尺度结构中结晶引起的润湿性变化导致了盐晶体在超疏水表面上的横向扩展图4F.

与微织物表面相比,由于液/固体触点限制在所示的局部冒毒区域,避免在纳米草基质上避免横向扩展。图2。因为这些区域非常小,所以在三相接触线上形成的任何晶体(参见所示的小咖啡环状形态图2D)的尺寸也会受到限制,不会引发超疏水性宏观崩溃。在基质和液体之间的空气/水界面上形成的晶体(即,液滴被纳米草悬浮的位置)不会固定在低固相分数的纳米草尖端,也不会像在微尺度结构中那样固定在结构中。这种效应可以归因于增加的稳定性的板和超疏水的纳米特征的结构。即使在刺穿区域内,纳米草山谷内的固/液界面也缺乏结晶和钉住,这是由于表面的疏水化学(11.),以及可以显著改变晶体成核和生长的较小规模的表面限制/几何效应(37.38.)。对于纳米草原纹理的冰成核,观察到类似的效果,其中纳米级纹理内的冰晶不能生长(39.)。的SEM图像显示晶体侵入到层次微柱表面的微观结构中,而不是在纳米结构中图4h.,证实了限制效应对生物现象的重要性。

纳米腺基质上的空气层的限制效应和空气层的稳定性,防止结晶诱导的超细纤维性分解,使触发器的脱模事件能够进行脱模。这些效果最终导致结晶腿的生长和在Critter形成的生长阶段期间的自喷射。在目前具有蒸发通量和微观长度尺度的当前实验条件下,预期氯化钠结晶预期是运输有限的,而不是动力学限制(40)。因此,蒸发速率将对结晶速率产生危重影响(27.41.)。因此,我们提出了一种基于局限于柱状晶腿和基底之间区域的蒸发流效应的模型(见图5A对于几何)。假设所有蒸发发生在腿部和基板之间的接触线处,可以写入流体的质量平衡 DV. DT. = 2 π R. O. N. j O. j O. = D. v Δ C ρ (1)

Fig. 5 Temperature-dependent growth of critter legs.

(A) Images defining model parameters including h (length of the legs), Ro, and Ri (outer and inner diameter of a given leg). (B) Average leg growth rate (millimeters per minute) as a function of substrate temperature, where purple circles indicate experimental values averaged from five to six trials, error bars show SD, and solid line is the model of Eq. 3 (where Ro = 16 μm and Ri = 12.5 μm). (C) Experiment showing critter growth on a substrate with an imposed temperature gradient. Legs grow longer on the side with a higher temperature, causing the crystal critter to become more and more unstable until it eventually tips over and rolls in the direction of the lower temperature. New legs begin to grow at the new position until evaporation is complete. Scale bar, 1 mm.

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图5. 动物的腿依赖温度生长。

一种)定义模型参数的图像包括H(腿的长度),R.O., 和R.一世(给定腿的外径和内径)。(B.)平均腿部生长速率(毫米/分钟)作为衬底温度的函数,其中紫色圆圈表示从五到六次试验的实验值平均,误差条显示SD,实线是模型eq。3.(在哪里R.O.= 16 μmR.一世= 12.5μm)。(C)实验,显示具有施加温度梯度的基材上的压力生长。腿在较高温度侧面生长更长,导致晶体反射器变得越来越不稳定,直到最终尖端倾斜并滚动较低温度的方向。新腿开始在新位置生长,直到蒸发完成。秤栏,1毫米。

在哪里DV./DT.是体积蒸发流,R.O.是腿的外半径,N.是腿的数量,和jO.是蒸发通量。对于蒸发是有限的汽相扩散的情况,我们采用了蒸发通量的形式。蒸发通量是水蒸气在空气中扩散的函数(D.v)和空气中蒸汽的浓度梯度(δCv)。这两者都依赖于蒸汽温度,其可以近似为基板温度(有关数据的更多信息和表S1,请参见注意S2)。为简单起见,我们假设全部N.腿具有相同的外半径,虽然我们从实验证据中知道(图。2e3B.),腿的直径有一些变化。

接下来,我们考虑盐的质量平衡,并假设下降中的盐浓度在饱和浓度下保持恒定。因此,沉淀速率等于饱和浓度乘以蒸发速率。近似腿作为内径的圆柱管R.一世, 我们获得 N. ρ C π R. O. 2 R. 一世 2 DH. DT. = C DV. DT. (2)

在哪里DH./DT.是结晶管和ρ的生长速度C是晶体的密度(见图5A)。结合eqs。12,我们到达腿的增长率 DH. DT. 2 R. O. R. O. 2 R. 一世 2 C j O. ρ C (3)

等式3.有几种实验观察的特征,包括该功能DH./DT.与腿数无关,随着温度的增加而增加(jO.)。我们使用从所示的沉积物中使用几何来测试对实验数据的这种预测图2D作为典型存款大小的一个例子(R.O.= 16 μmR.一世= 12.5μm)。盐密度(ρC= 2160 kg / m3.对于NaCl)和饱和浓度(C= 357公斤/米3.)是恒定的,所以DH./DT.是仅蒸发助焊剂(和因此基板温度)的函数。该模型采用实验数据绘制图5B.非常一致,尽管需要注意的是不同的腿的几何形状(R.O.R.一世)可以改变该图的相对值。然而,温度的整体趋势不会被这种选择改变。

因为腿部生长速率随温度而增加,所以可以通过在基板上施加温度梯度来诱导定向滚动。这显示在图5C.,其中在具有施加的温度梯度的基板上生长了基板的情况。腿在侧面较短,温度较低,侧面较长,温度较高。这种不对称的生长使晶体结构倾斜并沿较低温度的方向滚动。此时,水不完全蒸发,并且剩余的水继续通过在第二位置的形成新腿蒸发。在完全蒸发之前,晶体结构可以滚动两个甚至三次(参见电影S3)。

讨论

我们已经介绍并解释了通过在加热的纳米纹理的超疏水表面上蒸发饱和氯化钠的滴,其中盐结构通过腿部生长来蒸发饱和氯化钠滴。通过从低固体馏分底物的脱水的水脱水,这些效果突出,以支持预先在空气/水界面生长的润湿盐晶。由于纳米纹理诱导的结晶和蒸发流的限制,该脱模事件仅是可能的,并且不会发生由微尺度特征的超疏水表面(18.21.)。限制和粘性点的肾脏也使得在较低温度下膨胀比以前观察到蒸发诱导的液滴悬浮(23.-25.)。

除了天然有趣之外,还可以通过引入消除热表面上的晶体粘附的策略来改善喷雾冷却热交换的可持续性的潜在应用。通过利用效果,可以直接使用盐水水作为传热液,同时还避免了热交换表面的矿物污垢。使用盐水而不是淡水进行冷却应用同时降低与水处理相关的成本,同时为其他重要目的保留淡水。此外,人们还可以想象一种新型的热电联产厂,其中通过回收在压力地层中产生的水蒸气来生产脱盐海水作为热交换的副产物。

这种效果的另一个潜在用途可能是用于零液排放系统中的废水处理,在这种系统中,由于在高盐卤水中工作的困难,从高盐反渗透废液中完全回收水具有挑战性。对海船和海岸建筑物而言,自排出盐类污染物亦特别重要(42.),其中盐和随后的海藻晶体生长的情况下是损坏的主要原因(43.)。更广泛地,这些关于限制驱动的蒸发结晶的见解也可以应用于新型落水的流体机器(44.)或自我推进(24.45.-47.)。

材料和方法

水准备

通过将氯化钠盐(Sigma-Aldrich)加入到去离子水的体积中来制备饱和氯化钠(NaCl)溶液。所用氯化钠的质量超过水中盐的饱和浓度(357克/升在20℃),使得总质量不能完全溶解。将溶液混合几个小时以增强使用真空过滤过滤过量固体前的盐溶解。

衬底准备

纳米草结构,也称为黑硅,是通过活性离子蚀刻制备的,如前所述(26.)。然后通过氟硅烷化学的气相沉积来疏水化纹理[Trichloro(1H,1H,2H,2H-全氟辛基)],持续6小时。其他纹理的制备已在前面描述过(36.)。

实验

将官能化基板在热板上加热到指定温度,使用热电偶来确认热板和基板的温度。然后将五微升饱和氯化钠溶液轻轻移液到加热的基材上。基材必须完全水平以避免在沉积期间滚动滚动。安装在配备有Navitar镜头的三脚架的摄像机集中在滴滴上,持续时间记录蒸发。在每次温度下重复试验,在温度控制的实验室环境中进行,在38至44%之间的温度控制的实验室环境中进行。温度梯度实验图5C.通过将长(50mm)超疏水纳米草基底的一端夹持到加热至120℃的热板并将另一端冷却至0℃的珀耳帖冷却阶段进行。将液滴沉积在90℃接近90℃的位置,并且通常滚动一次或两次,朝向较低的温度位置在55°和75℃之间,这取决于辊的数量。

建模

由此提供的蒸发助焊剂的形式eq。1描述了蒸发通过气相扩散限制的情况(48.)。在辅助材料中给出了空气中的空气中的水的扩散系数和空气中的水中水的饱和蒸汽浓度的值在补充材料中给出(表S1),以及由此计算的蒸发磁通量的值eq。1(忽略温度的水密度的变化,ρ= 1000kg / m3.)。

图片

晶体渣油或其他晶体结构的光学图像(图。1C;4.,a到e;和5A)是从装有Navitar镜头或微距镜头(图5C.)。均匀亮度/对比度调整均匀。使用Zeiss Ultra55 SEM捕获SEM图像。使用二次电子检测器(更好地用于捕获结构细节)图。1B.2G, 和4.(a)至(e)和(h),和插入图5A,而Inlens检测器(更好地用于增强不同化学/结构之间的对比)图2(a)和(e)。

补充材料

https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/

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参考和笔记

致谢:制造衬底纹理,并使用哈佛大学中心的设施获得SEM图像进行纳米级科学。资金:我们非常感谢通过麻省理工学院能源倡议从欧居的资金支持。S.A.M.承认MIT Martin奖学金计划的资助,并从NSF GRFP Grant No.1122374。作者捐款:S.A.M.,H.-1.G.和K.K.V.所有这些手稿的实验,分析和写作/编辑都有助于。利益争夺:提交人声明他们没有竞争利益。数据和材料可用性:评估纸张结论所需的所有数据都存在于纸张和/或补充材料中。可以从作者请求与本文相关的其他数据。

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