受树叶启发的表面可以防止结霜

Frost霜在薄荷叶的凸部形成,而在凹部叶脉上不形成。信贷:斯蒂芬草

美国西北大学的研究人员发现了一种可以显著减少任何表面结霜的新方法。这一发现可能有助于减少除霜所需的能量,并可能减少取消航班的次数,因为即使是最轻微的霜冻也会导致航班停飞。

通过调整任何材料表面的纹理,研究小组能够通过实验减少60%的结霜。研究人员在《自然》杂志上观察到,毫米级的表面结构包含了一系列优化的锯齿状波峰和波谷。通过这种结构,研究小组还从理论上证明,霜冻的形成可以减少80%。

park frost肯公园

“这个想法来自于观察树叶,”西北大学的kyo – chul (Ken) Park说,他是这项研究的负责人。“在叶子的凸部有更多的霜冻形成。在凹形区域(静脉),我们看到的霜少得多。我们发现控制这一切的是几何形状,而不是材料。”

这项研究将于今天(3月10日)发表在《美国国家科学院院刊》上。帕克是西北大学麦考密克工程学院机械工程助理教授。

生活在寒冷气候中的人们对霜再熟悉不过了。当潮湿空气的蒸汽或凝结与低于冰点温度的表面接触时就会形成。

每年冬天,人们都会刮掉汽车上的灰尘,或者担心它会毁掉植物。但霜冻不仅仅是一件麻烦事。飞机机翼上的霜会产生阻力,使飞行变得危险甚至不可能。而且,当霜在冰箱和冰柜里堆积时,会大大降低电器的能效。

但霜并不是在所有物体上都形成的。对于像树叶这样有波纹的几何形状的物体,山顶上结霜,但山谷里很少结霜。

“人们注意到这一点已经有几千年了,”帕克说。“值得注意的是,这些模式是如何形成的,却没有得到任何解释。”

通过实验工作和计算模拟,帕克和他的同事们发现,在波峰处凝结增强,在波谷处凝结减弱。山谷中少量的凝结水随后蒸发,形成无霜区。即使公园使用了一种能吸引水的表面材料,当温度低于冰点时,水仍然从山谷中蒸发出来。

这可以减少用于解决结霜问题的材料和能源。我们所要做的就是为其他人提供设计这些锯齿形表面的指导。“Ken Park
机械工程师

Park利用这些新信息来寻找最佳的表面纹理来防止霜冻的形成。获胜的表面包含几毫米高的波峰和波谷,其间的夹角很小(40-60度)。

虽然在表面形貌的峰值上仍然会形成一层薄薄的霜,但它可以用相当少的能量来除霜。它也不需要使用霜点低的液体或容易划伤的表面涂层。

“无霜区启动了除霜过程,”Park说。“因此,它将减少用于解决结霜问题的材料和能源。我们所要做的就是为其他人提供设计这些锯齿形表面的指导方针。”

这项名为“宏观纹理表面的无霜区”的研究得到了西北水研究中心沃尔特合作种子基金项目的支持。

主题:能源、工程、创新、麦考密克工程学院、可持续性

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.northwestern.edu/stories/2020/03/leaf-inspired-surface-prevents-frost-formation/

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