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城大研發疏水性能最佳材料
2014年 07月 21日 00:00    香港商报
 

    【香港商報訊】香港城市大學機械及生物醫學工程學系副教授、兼仿生工程實驗室主任王鑽開博士,及其研究團隊,研制出疏水性能最佳的材料表面,可用於制造防積冰材料,并具有自潔净、抗菌、防腐蝕等多種功能。這種超疏水表面,由表面覆蓋有納米結構的亞毫米尺度微柱陣列組成,能夠快速排除水滴,遠勝過目前任何一種人造材料。

    可用於防飛機翼引擎積冰

    該項研究成果的報告題為「超疏水表面上液滴的薄餅狀彈跳」,近日發表於國際知名的《自然:物理》期刊(Nature Physics)。

    據王博士介紹,這種新型表面具有廣泛的用途,例如可防止飛機機翼及引擎等部件的金屬表面積冰。飛機的機翼與引擎表面的積冰會引發事故。法航447號航班於2009年失事墜入大西洋,可能就是表面積冰所致。

    此外,防積冰材料在制造空調系統時也很有用。空調系統的蒸發器表面結霜或結冰之后,會形成大量的熱阻,并增大整個熱交換器的壓降,削弱空調系統的整體效能,造成大量不應有的能源損耗;另外,常規的超疏水表面有機械性能不穩定的問題,新型的表面結構可自然免除此弊。

    超疏水表面上液滴薄餅狀彈跳

    此前學術界普遍認為,液滴撞擊固體表面后經歷兩個階段:鋪展和收縮。在鋪展階段,液滴攤開而呈薄餅狀;而在收縮階段,液滴將其表面能量減至最小,而向內收縮。在超疏水表面上,因為液滴底下的粗糙表面內有「空氣墊」,液滴在收縮階段末尾可彈起而脫離這個表面。但是液滴撞擊固體表面后需要多久才能彈起,理論上有一定的接觸時限。

    王博士說:「我們首次證明,能夠令液滴在攤開呈薄餅狀的階段末尾,即直接從表面彈起,毋須經歷收縮階段。我們把這種情况稱為『薄餅狀彈起』,其結果是突破了常規的接觸時限,液滴脫離表面的速度可比原來高出4倍。」其中的奧秘在於表面的結構。為了防止水滴滲入表面,研究思路向來着眼於使用間隙極小的微米/納米尺度的微柱。研究發現,微柱的間隙越細小,表面可承受的液滴撞擊速度就越高。

    這篇研究論文的第一作者、由王鑽開指導的博士研究生劉亞華說:「我們特意設計的表面,由錐形的亞毫米尺度的微柱陣列構成,柱間的空隙較大,既容許液體充分滲透,又不致喪失『空氣墊』。因此,已儲存的表面張力能量,可以快速再度轉化成動能,令液滴迅速脫離表面。這與通常的直覺認識正好相反。」

    

 
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