Thiết kế các bề mặt để sự sôi hiệu quả hơn

Sự sôi của nước hay của những loại chất lỏng khác là một bước tập trung năng lượng tại tâm điểm của một phạm vi rộng trong các quá trình công nghiệp, bao gồm các nhà máy điện, các hệ chế tạo hóa học và ngay cả các hệ làm mát cho các thiết bị điện tử.

Cải thiện sự hiệu quả của các hệ mà nhiệt và sự hóa hơi của nước có thể làm giảm đi một cách hiệu quả năng lượng mà chúng sử dụng. Hiện tại, các nhà nghiên cứu tại MIT đã tìm được một cách để làm điều đó, với một xử lý bề mặt được thiết kế phù hợp với các vật liệu được sử dụng trong các hệ đó.

Hiệu suất được cải thiện là do một sự kết hợp của ba loại biến đổi bề mặt khác nhau, tại các quy mô kích cỡ khác nhau. Phát hiện mới được miêu tả trong bài báo trên tạp chí Advanced Materials do giáo sư Ford Evelyn Wang, và bốn tác giả khác ở MIT thực hiện ¹. Họ lưu ý là phát hiện ban đầu vẫn còn ở quy mô phòng thí nghiệm, và cần nhiều nghiên cứu hơn để phát triển thành một quá trình ở cấp độ công nghiệp.

Có hai tham số chính miêu tả quá trình sôi, đó là hệ số truyền nhiệt (HTC) và thông lượng nhiệt tới hạn (CHF). Trong thiết kế vật liệu, nhìn chung đó là sự đánh đổi giữa hai tham số này, vì vậy bất kỳ cải thiện một trong hai cũng có xu hướng làm cái còn lại tệ hơn. Nhưng cả hai đều quan trọng cho hiệu quả của cả hệ và hiện tại, sau nhiều năm làm việc, nhóm nghiên cứu đã có được một cách cải thiện một cách hiệu quả cả hai đặc tính tại cùng thời điểm, dẫu sự kết hợp của những kết cấu khác nhau được đưa vào bề mặt của vật liệu.

“Cả hai tham số này đều quan trọng”, Youngsup Song – tác giả thứ nhất của nghiên cứu, nói. “nhưng việc tăng cường cả hai tham số là một dạng khó nhằn bởi vì chúng là một sự đánh đổi thực sự”. Nguyên nhân là, anh giải thích, “bởi vì nếu chúng ta có nhiều bọt khí trên bề mặt sôi thì càng chứng tỏ hiệu quả của quá trình sôi nhưng nếu có quá nhiều bọt khí trên bề mặt thì chúng có thể cố kết lại với nhau hình thành màng hơi nước trên khắp bề mặt sôi”. Tấm màng này sẽ tạo ra kháng lực cản trở sự truyền nhiệt từ bề mặt nóng đến nước. “Nếu chúng ta làm bốc hơi giữa bề mặt và nước, nó sẽ cản trở hiệu suất truyền nhiệt và làm giảm giá trị của CHF”, anh nói.

Song, hiện giờ là một postdoc ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, đã tham gia thực hiện nghiên cứu này như một phần công việc khi làm nghiên cứu sinh tại MIT. Dẫu nhiều thành phần của xử lý bề mặt mới mà anh phát triển trong những nghiên cứu trước đây thì các nhà nghiên cứu vẫn cho rằng nghiên cứu này là công trình đầu tiên chứng tỏ các phương pháp đó có thể kết hợp để xử lý được “quy luật” đánh đổi giữa hai tham số thành phần.

Cho thêm vào một loạt lỗ rỗng ở cấp độ micro lên một bề mặt là một cách để kiểm soát con đường hình thành các bọt khí trên bề mặt, giữ chúng lại một cách hiệu quả vào các vị trí của lỗ rỗng và ngăn chúng khỏi tỏa đi để kết màng ngăn nhiệt. Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chuỗi các lỗ rỗng kích cỡ 10 micro mét được chia tách với khoảng cách 2 mi li mét để ngăn hình thành màng. Nhưng sự phân tách đó cũng chỉ làm giảm đi nồng độ của bọt khí tại bề mặt, vốn có thể làm giảm hiệu suất sôi. Để bù cho điều đó, nhóm nghiên cứu đã đưa vào một xử lý bề mặt xuống quy mô nhỏ hơn, tạo ra những lỗ hổng không khí và sóng rất nhỏ ở cấp độ nano để làm tăng khu vực bề mặt và đẩy mạnh tốc độ hóa hơi dưới các bọt khí.

Trong những thực nghiệm này, các lỗ rỗng được tạo ra ở các trung tâm của một loạt các cột chất lỏng trên bề mặt vật liệu. Các cột này, kết hợp với cấu trúc nano, đẩy mạnh mao dẫn của chất lỏng từ mặt đáy lên tới đỉnh và sự tăng cường quá trình sôi bằng việc đem lại nhiều diện tích bề mặt được phơi lộ với nước. Trong sự kết hợp, cả ba “bậc” của kết cấu bề mặt – sự phân tách lỗ rỗng, các vị trí, và kết cấu cấp độ nano – đem lại một sự tăng cường hiệu suất của quá trình sôi, Song nói.

“Những lỗ trống micro đó định rõ vị trí nơi các bọt khí đến”, anh nói. “Nhưng sự phân tách những lỗ trống ở khoảng cách 2 mi li mét, chúng ta phân tách các bong bóng và giảm thiểu sự kết hợp của các bọt khí”. Tại cùng thời điểm, các cấu trúc nano thúc đẩy sự hóa hơi dưới các bọt khí, và sự mao dẫn từ các cột chất lỏng đến phần đáy của bọt khí. Điều này giữ cho lớp nước lỏng giữa bề mặt sôi và bọt khí để gia tăng đến mức tối đa thông lượng nhiệt.

Dẫu công trình của họ đã xác nhận sự kết hợp của các loại xử lý bề mặt khác nhau có thể phù hợp và đạt được hiệu quả mong muốn, công trình này mới chỉ được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm quy mô nhỏ, vốn dễ dàng cho các nhà khoa học thay đổi kích thước của các thiết bị, Wang cho biết. Tuy nhiên nó cũng hữu dụng để chứng minh khả năng hoạt động của một hệ thống. Bước tiếp theo họ cần thực hiện là tìm những cách thay đổi để tạo ra những dạng của kết cấu bề mặt để có thể đưa phương pháp này phù hợp với điều kiện thực tế.

“Chúng tôi đã có thể kiểm soát bề mặt là bước đầu tiên”, cô nói, “bước tiếp theo là nghĩ về các tiếp cận để gia tăng kích thước”. Ví dụ, các cột trên bề mặt trong thực nghiệm được tạo ra trong phòng sạch, vốn phù hợp với việc chế tạo các chip bán dẫn. Có rất nhiều cách để tạo ra các cấu trúc bề mặt ở cấp độ nano, một vài cách trong đó có thể dễ dàng mở rộng quy mô.

Có thể một số ứng dụng quy mô nhỏ đáng chú ý là sử dụng quá trình này trong chính hình thức hiện tại của nó như kiểm soát nhiệt của các thiết bị điện tử, một lĩnh vực đang ngày trở nên quan trọng hơn vì thiết bị bán dẫn ngày càng nhỏ hơn và việc kiểm soát nhiệt đầu ra của chúng cũng trở nên quan trọng. “Đó thực sự là một không gian rất quan trọng”, Wang nói.

Tuy nhiên ngay cả những ứng dụng loại này thì cũng cần thời gian để phát triển bởi vì các hệ kiểm soát nhiệt cụ thể cho thiết bị điện tử sử dụng nhiều loại chất lỏng khác như các chất lỏng điện môi. Các loại chất lỏng này có sức căng bề mặt và các đặc tính khác biệt với nước. Vì vậy tìm hiểu về những khác biệt là một trong những bước tiếp theo, Wang nói.

Kỹ thuật cấu trúc đa tỉ lệ có thể được áp dụng cho các chất lỏng khác nhau, Song nói, bằng việc hiệu chỉnh các chiều để giải thích cho các đặc tính khác nhau của các loại chất lỏng. “Các chi tiết có thể được thay đổi và có thể đps là bước tiếp theo của chúng tôi”, anh cho biết.

Nguyễn Nhàn  tổng hợp

Nguồn bài và ảnh: https://phys.org/news/2022-07-surfaces-efficiently.html

https://www.techexplorist.com/engineers-design-surfaces-make-water-boil-efficiently/52448/

———————————————-

1, https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202200899