Gocce orientabili su array di microscanalature concentriche riscaldate

Apr 19, 2023

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3141 (2022) Citare questo articolo

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Il trasporto a caduta guidata è di grande importanza in varie tecnologie di gestione dell'acqua e termica. Il trasporto di gocce unidirezionale su una superficie calda è stato ampiamente sviluppato, ma un’inversione bidirezionale è ancora impegnativa. Qui, riportiamo un trasporto orientabile di goccia che colpisce matrici di microscanalature concentriche riscaldate, su cui la direzionalità del trasporto di goccia è dettata dalle modalità di ebollizione della goccia. Nello stato di ebollizione di transizione, la forza motrice ha origine dalla differenza di pressione di Laplace resa dalle microscanalature, che consente alla goccia di rimbalzare verso il centro di curvatura. Nello stato di ebollizione del film, tra le scanalature ed il liquido penetrato si genera una forza netta verso il lato opposto, che allontana la goccia dal centro di curvatura. I nostri risultati sperimentali e teorici rivelano che lo spostamento laterale è controllato sia dal numero di Weber che dalla distanza fuori centro. Questi risultati rafforzano la nostra comprensione fondamentale delle dinamiche dell’impatto delle gocce ad alte temperature e sono essenziali per un raffreddamento efficace dei nuclei dei punti caldi e della setacciatura delle gocce.

La rettifica del trasporto di goccioline su superfici calde è sia di fondamentale interesse che di importanza pratica nel raffreddamento a spruzzo1,2, nella riduzione della resistenza3,4,5 e nella generazione di energia6,7. Negli ultimi anni è stata prestata particolare attenzione alla temperatura superficiale al di sopra del cosiddetto punto di Leidenfrost, dove la goccia levita sul proprio strato di vapore. A differenza delle condizioni ambientali in cui la rettifica della goccia è ottenuta sfruttando i gradienti di energia superficiale e spesso ostacolata dal blocco della linea di contatto, in questo stato di Leidenfrost, lo strato di vapore sottostante della goccia consente l'eliminazione del blocco della linea di contatto e di conseguenza dell'attrito interfacciale associato . Pertanto, varie strutture asimmetriche come cricchetti su macroscala o nanoscala sono state sviluppate per realizzare il trasporto unidirezionale delle gocce nello stato di Leidenfrost, risultante dallo stress di taglio generato dall'espulsione asimmetrica del vapore8,9,10. Tuttavia, lo strato di vapore sottostante la goccia, che consente un attrito interfacciale trascurabile, provoca anche un’enorme resistenza al trasferimento di calore, il che è contrario a un’efficace gestione termica.

Il raffreddamento a spruzzo, in quanto importante tecnica di raffreddamento in molti dispositivi di gestione termica, può rilasciare il calore dei dispositivi facendo evaporare violentemente le gocce. Il contatto transitorio della goccia che colpisce la superficie calda è accompagnato da un cambiamento di fase transitorio e da vibrazioni intense. Pertanto, una goccia d'urto consente una guida casuale invece della completa evaporazione in situ, causando un'efficienza di raffreddamento insoddisfacente. Inoltre, la distribuzione della temperatura tende ad essere asimmetrica sulle superfici calde a causa del trasporto casuale di gocce, che a sua volta provoca un effetto Marangoni termico11,12. Recentemente, i ricercatori hanno proposto che la rettifica direzionale della caduta nella regione preferenziale per un migliore trasferimento di calore possa essere ottenuta su matrici di perni diritti con un gradiente di densità1 e perni con motivi regolari con strutture a fungo Janus13. Tuttavia, in tutti questi studi, la direzione del trasporto delle gocce non è orientabile per un progetto a superficie fissa, e il movimento delle gocce è difficile da controllare quantitativamente sebbene le direzioni di movimento siano esplicite. Inoltre, la rettifica unidirezionale della goccia si basa sull'elaborato design della struttura superficiale e sullo scrupoloso controllo del punto specifico in cui la goccia impatta. Pertanto, il controllo delle gocce su superfici calde rimane una grande sfida.

In questa ricerca, progettiamo array di microscanalature concentriche per ottenere il trasporto bidirezionale delle gocce mediando la temperatura superficiale, che va oltre i modi tradizionali per realizzare il trasporto unidirezionale delle gocce mediante gradiente chimico14,15, cricchetti8,10 e curvature16,17. Le gocce impattanti trasportano verso il centro di curvatura a temperature inferiori al punto di Leidenfrost, mentre verso la direzione lontana dal centro di curvatura a temperature superiori al punto di Leidenfrost, ovvero la direzione del trasporto delle gocce è dettata dall'azione sinergica della struttura superficiale e dell'ebollizione stati. Un semplice ridimensionamento mostra che la distanza di trasporto laterale della caduta dipende dal numero di Weber e dalla distanza decentrata tra la posizione di impatto e il centro di curvatura. Inoltre, dimostriamo che questa strategia versatile e robusta potrebbe essere applicata al trasferimento termico ad alta efficienza e alla setacciatura a goccia.