Los condensadores son una parte crucial de los sistemas de generación de energía actuales:alrededor del 80 por ciento de todas las centrales eléctricas del mundo los usan para convertir el vapor en agua después de que sale de las turbinas que hacen girar los generadores. También son un elemento clave en las plantas desaladoras, un contribuyente de rápido crecimiento al suministro mundial de agua dulce.

Ahora, una nueva arquitectura de superficie diseñada por investigadores del MIT promete mejorar significativamente el rendimiento de dichos condensadores. La investigación se describe en un artículo recién publicado en línea en la revista. ACS Nano por el postdoctorado del MIT Sushant Anand; Kripa Varanasi, el profesor adjunto Doherty de utilización de los océanos; y el estudiante de posgrado Adam Paxson, postdoctorado Rajeev Dhiman y investigador afiliado Dave Smith, todo el grupo de investigación de Varanasi en el MIT.

La clave para la superficie hidrofóbica mejorada (que desprende agua) es una combinación de patrones microscópicos:una superficie cubierta con pequeñas protuberancias o postes de solo 10 micrómetros (millonésimas de metro) de ancho, aproximadamente del tamaño de un glóbulo rojo y una capa de lubricante, como el aceite. Los pequeños espacios entre los postes mantienen el aceite en su lugar a través de la acción capilar, los investigadores encontraron.

El equipo descubrió que las gotas de agua que se condensaban en esta superficie se movían 10, 000 veces más rápido que en superficies con solo el patrón hidrofóbico. La velocidad de este movimiento de las gotas es clave para permitir que las gotas caigan de la superficie para que se puedan formar nuevas. aumentar la eficiencia de la transferencia de calor en un condensador de central eléctrica, o la tasa de producción de agua en una planta desaladora.

Con este nuevo tratamiento, "las gotas pueden deslizarse sobre la superficie, "Varanasi dice, flotando como discos en una mesa de hockey de aire y pareciendo ovnis flotando, un comportamiento que Varanasi dice que nunca ha visto en más de una década de trabajo en superficies hidrofóbicas. "Estas son simplemente velocidades locas".

La cantidad de lubricante necesaria es mínima:forma una fina capa, y está fijado de forma segura en su lugar por los postes. Cualquier lubricante que se pierda se reemplaza fácilmente desde un pequeño depósito en el borde de la superficie. El lubricante puede diseñarse para tener una presión de vapor tan baja que, Varanasi dice:"Incluso puedes ponerlo en el vacío, y no se evaporará ".

Otra ventaja del nuevo sistema es que no depende de ninguna configuración particular de las diminutas texturas de la superficie, siempre que tengan las dimensiones adecuadas. "Se puede fabricar fácilmente, ", Dice Varanasi. Una vez texturizada la superficie, el material puede sumergirse mecánicamente en el lubricante y extraerse; la mayor parte del lubricante simplemente se escurre, y "solo el líquido en las cavidades es retenido por fuerzas capilares, "Dice Anand. Debido a que la capa es tan fina, él dice, solo se necesita alrededor de un cuarto a media cucharadita de lubricante para cubrir una yarda cuadrada del material. El lubricante también puede proteger la superficie metálica subyacente de la corrosión.

Varanasi planea realizar más investigaciones para cuantificar exactamente cuánta mejora es posible mediante el uso de la nueva técnica en centrales eléctricas. Debido a que las turbinas de vapor son omnipresentes en las centrales eléctricas de combustibles fósiles del mundo, él dice, "incluso si ahorra un 1 por ciento, eso es enorme "en su impacto potencial en las emisiones globales de gases de efecto invernadero.

El nuevo enfoque funciona con una amplia variedad de texturas de superficie y lubricantes, dicen los investigadores; planean enfocar la investigación en curso en encontrar combinaciones óptimas de costo y durabilidad. "Hay mucha ciencia en cómo diseñar estos líquidos y texturas, "Dice Varanasi.

Daniel Beysens, director de investigación del Laboratorio de Física y Mecánica de Medios Heterogéneos de ESPCI en París, dice el concepto detrás del uso de un líquido lubricante atrapado por una superficie con nano patrones, es "simple y hermoso. Las gotas se nuclearán y luego se deslizarán hacia abajo con bastante facilidad. ¡Y funciona!"

Esa nueva investigación será ayudada por una nueva técnica que Varanasi ha desarrollado en colaboración con investigadores como Konrad Rykaczewski, un científico investigador del MIT que actualmente trabaja en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersberg, Maryland., junto con John Henry Scott y Marlon Walker de NIST y Trevan Landin de FEI Company. Esa técnica se describe en un artículo separado que también se acaba de publicar en ACS Nano .

Por primera vez, esta nueva técnica obtiene directa, imágenes detalladas de la interfaz entre una superficie y un líquido, como las gotas que se condensan en él. Normalmente, esa interfaz, la clave para comprender los procesos de humectación y eliminación de agua, está oculta a la vista por las propias gotas, Varanasi explica, por lo que la mayoría de los análisis se han basado en modelos informáticos. En el nuevo proceso, las gotas se congelan rápidamente en su lugar en la superficie, cortado en sección transversal con un haz de iones, y luego fotografiado usando un microscopio electrónico de barrido.

"El método se basa en la preservación de la geometría de las muestras mediante una congelación rápida en un aguanieve de nitrógeno líquido a menos 210 grados Celsius [menos 346 grados Fahrenheit], ", Dice Rykaczewski." La velocidad de congelación es muy rápida (alrededor de 20, 000 grados Celsius por segundo) que el agua y otros líquidos no cristalizan, y su geometría se conserva ".

La técnica podría usarse para estudiar muchas interacciones diferentes entre líquidos o gases y superficies sólidas, Dice Varanasi. "Es una técnica completamente nueva. Por primera vez, podemos ver estos detalles de estas superficies ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.