Le transfert de chaleur par condensation joue un rôle essentiel dans l'efficacité des technologies industrielles à forte intensité énergétique, notamment la production d'électricité, utilisation de l'énergie, dessalement et récupération de l'eau, climatisation, et la gestion thermique de l'électronique. Il est bien connu que la condensation goutte à goutte sur la surface hydrophobe (Fig. 1A), où le roulement fréquent des gouttelettes condensées, par exemple. sur des surfaces verticales, aide à rafraîchir la surface exposée à la vapeur, a une efficacité de transfert de chaleur d'un ordre de grandeur supérieure à celle de la condensation filmogène sur les surfaces hydrophiles (Fig. 1B). La promotion de la condensation goutte à goutte par modification de surface a donc été d'un grand intérêt depuis sa découverte. Cependant, le défi de longue date pour une meilleure performance de transfert de chaleur de condensation est d'améliorer à la fois la croissance des gouttelettes et le rafraîchissement de la surface. Par rapport aux matériaux hydrofuges micro/nanostructurés pour l'autonettoyage, réduction de traînée, anti-corrosion et anti-buée, il est extrêmement difficile de créer des surfaces superhydrophobes de grande surface de manière rentable sur des métaux à haute conductivité thermique pour répondre à la fois aux exigences de la mécanique des fluides et aux exigences thermiques.

Micro-réseaux métalliques avec entrelacement de canaux liquides, tels que les micro-mailles et les micro-mousses en cuivre, ont été largement exploités dans diverses applications industrielles, y compris la séparation huile-eau et le support de catalyseur en raison de leur faible coût et de leur bonne évolutivité. Ces mailles et mousses de cuivre ont également été utilisées pour améliorer la capacité d'absorption des liquides pour l'ébullition à flux thermique élevé et le transfert de chaleur par évaporation. Cependant, l'étude systématique du mécanisme fondamental de condensation de vapeur sur les mailles tissées fait encore défaut. Ronggui Yang et ses collègues de l'Université du Colorado Boulder, Université des sciences et technologies de Huazhong, Université Jiaotong de Pékin, et Université de technologie de Dalian, a présenté une surface recouverte d'un maillage hiérarchique superhydrophobe (maillage élevé) pour permettre un flux d'aspiration continu du condensat liquide (Fig. 1C), qui maintient des performances de transfert de chaleur de condensation améliorées, sous très grande surface de sous-refroidissement. Ce travail, intitulé « Maintien de la condensation renforcée sur les surfaces recouvertes de mailles hiérarchiques », a été publié dans Revue scientifique nationale .

Dans ce travail, des mailles tissées en cuivre disponibles dans le commerce sont utilisées comme matériaux de départ. Les caractéristiques structurelles typiques des surfaces à mailles élevées sont formées en collant un treillis de cuivre tissé sur le substrat de cuivre ordinaire (Fig. 1D). Des nanostructures d'oxyde de cuivre en forme de couteau à haute densité sont formées sur toutes les surfaces exposées du substrat et des fils de maille (Fig. 1E), qui servent de sites de nucléation pour la formation et la croissance des gouttelettes. Pendant la condensation de vapeur, les gouttelettes nucléées sur le substrat se développent et fusionnent rapidement pour former un mince film liquide dans les canaux interconnectés entre le substrat et la couche de maille tissée. Lorsque de petites gouttelettes qui poussent sur les fils de treillis se confondent avec le mince film liquide, ils peuvent être efficacement éliminés en étant tirés dans le film liquide, accélérer le rafraîchissement de la surface pour la renucléation et la croissance des gouttelettes sur les fils de treillis. Avec une coalescence goutte-à-film continue, les canaux d'entrelacement peuvent être remplis de condensat liquide. Une fois que le film liquide surmonte la pression de Laplace et se développe hors de la couche de maille tissée, le film liquide environnant peut être étiré en continu sous forme de gouttelettes tombantes entraînées par gravité, résultant en un rafraîchissement rapide de la surface (Fig. 1F). En couplant la condensation goutte à goutte haute performance sur des fils maillés et la condensation en film liquide mince dans les canaux d'entrelacement, la condensation du flux d'aspiration surpasse les performances de transfert de chaleur à la fois en film et en goutte à goutte (Fig. 1G).

Ce travail fait considérablement progresser le domaine de l'amélioration du transfert de chaleur par condensation, y compris les matériaux fabriqués évolutifs, nouveau mécanisme d'élimination des liquides, et une amélioration du transfert de chaleur sans précédent. En particulier :(1) une surface à mailles élevées superhydrophobe qui peut être fabriquée de manière évolutive est fabriquée à l'aide de mailles commerciales à faible coût ; (2) il est démontré qu'un nouveau mécanisme d'élimination de liquide à écoulement d'aspiration favorise à la fois le rafraîchissement de la surface et la croissance des gouttelettes ; (3) Une amélioration sans précédent du transfert de chaleur par condensation est démontrée sur une large gamme de sous-refroidissement de surface, par rapport à la condensation goutte à goutte de pointe sur d'autres surfaces micro/nanostructurées.

La démonstration du maintien d'une condensation accrue sur les surfaces à mailles élevées n'est pas seulement d'une importance scientifique fondamentale, révéler le nouvel enlèvement de liquide amélioré par aspiration ; il s'attaque également au défi de longue date consistant à pousser les matériaux micro/nanostructurés dans les applications pratiques. Combler le fossé entre les surfaces hydrofuges et les processus de transfert de chaleur à changement de phase haute performance, de telles surfaces à maillage élevé à faible coût sont facilement disponibles pour être déployées à grande échelle pour une large gamme d'applications énergétiques et hydrauliques, y compris la production d'électricité, récupération et dessalement de l'eau, climatisation, et la gestion thermique de l'électronique.