Les condenseurs sont une partie cruciale des systèmes de production d'électricité d'aujourd'hui :environ 80 pour cent de toutes les centrales électriques du monde les utilisent pour transformer la vapeur en eau après sa sortie des turbines qui font tourner les générateurs. Ils sont également un élément clé dans les usines de dessalement, un contributeur en croissance rapide à l'approvisionnement mondial en eau douce.

Maintenant, une nouvelle architecture de surface conçue par des chercheurs du MIT promet d'augmenter considérablement les performances de ces condenseurs. La recherche est décrite dans un article qui vient d'être publié en ligne dans la revue ACS Nano par le postdoctorant du MIT Sushant Anand; Kripa Varanasi, le professeur agrégé Doherty d'utilisation des océans; et étudiant diplômé Adam Paxson, postdoctoral Rajeev Dhiman et l'affilié de recherche Dave Smith, tout le groupe de recherche de Varanasi au MIT.

La clé de l'amélioration de la surface hydrophobe (évacuation de l'eau) est une combinaison de motifs microscopiques - une surface recouverte de minuscules bosses ou de poteaux de seulement 10 micromètres (millionièmes de mètre) de diamètre, environ la taille d'un globule rouge et un revêtement d'un lubrifiant, comme l'huile. Les minuscules espaces entre les poteaux maintiennent l'huile en place par capillarité, les chercheurs ont trouvé.

L'équipe a découvert que les gouttelettes d'eau se condensant sur cette surface se déplaçaient de 10, 000 fois plus rapide que sur des surfaces avec juste le motif hydrophobe. La vitesse de ce mouvement des gouttelettes est essentielle pour permettre aux gouttelettes de tomber de la surface afin que de nouvelles puissent se former, augmenter l'efficacité du transfert de chaleur dans un condenseur de centrale électrique, ou le taux de production d'eau dans une usine de dessalement.

Avec ce nouveau traitement, "les gouttes peuvent glisser à la surface, " Varanasi dit, flottant comme des rondelles sur une table de hockey sur air et ressemblant à des ovnis en vol stationnaire - un comportement que Varanasi dit n'avoir jamais vu en plus d'une décennie de travail sur des surfaces hydrophobes. "Ce ne sont que des vitesses folles."

La quantité de lubrifiant nécessaire est minime :il forme une fine couche, et est solidement épinglé en place par les poteaux. Tout lubrifiant perdu est facilement remplacé à partir d'un petit réservoir au bord de la surface. Le lubrifiant peut être conçu pour avoir une pression de vapeur si basse que, Varanasi dit, "Vous pouvez même le mettre sous vide, et il ne s'évapore pas."

Un autre avantage du nouveau système est qu'il ne dépend d'aucune configuration particulière des minuscules textures de la surface, tant qu'ils ont à peu près les bonnes dimensions. "Il peut être fabriqué facilement, " dit Varanasi. Une fois la surface texturée, le matériau peut être plongé mécaniquement dans le lubrifiant et retiré; la majeure partie du lubrifiant s'écoule simplement, et "seul le liquide dans les cavités est retenu par les forces capillaires, " Anand dit. Parce que le revêtement est si fin, il dit, il suffit d'environ un quart à une demi-cuillère à café de lubrifiant pour enrober un mètre carré du matériau. Le lubrifiant peut également protéger la surface métallique sous-jacente de la corrosion.

Varanasi prévoit d'autres recherches pour quantifier exactement dans quelle mesure l'amélioration est possible en utilisant la nouvelle technique dans les centrales électriques. Parce que les turbines à vapeur sont omniprésentes dans les centrales électriques à combustibles fossiles du monde, il dit, « même si cela permet d'économiser 1 %, c'est énorme" dans son impact potentiel sur les émissions mondiales de gaz à effet de serre.

La nouvelle approche fonctionne avec une grande variété de textures de surface et de lubrifiants, les chercheurs disent; ils prévoient de concentrer les recherches en cours sur la recherche de combinaisons optimales en termes de coût et de durabilité. "Il y a beaucoup de science dans la façon dont vous concevez ces liquides et textures, " dit Varanasi.

Daniel Beysens, directeur de recherche du Laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes de l'ESPCI à Paris, explique le concept derrière l'utilisation d'un liquide lubrifiant piégé par une surface à nanomotifs, est "simple et beau. Les gouttes vont nucléer puis glisser assez facilement. Et ça marche !"

Que la poursuite des recherches sera facilitée par une nouvelle technique que Varanasi a développée en collaboration avec des chercheurs dont Konrad Rykaczewski, un chercheur du MIT actuellement basé au National Institute of Standards and Technology (NIST) à Gaithersberg, Maryland., avec John Henry Scott et Marlon Walker du NIST et Trevan Landin de la FEI Company. Cette technique est décrite dans un article séparé qui vient également de paraître dans ACS Nano .

Pour la première fois, cette nouvelle technique obtient directement, des images détaillées de l'interface entre une surface et un liquide, comme des gouttelettes qui se condensent dessus. Normalement, cette interface - la clé pour comprendre les processus de mouillage et de rejet d'eau - est cachée à la vue par les gouttelettes elles-mêmes, Varanasi explique, la plupart des analyses se sont donc appuyées sur la modélisation informatique. Dans le nouveau processus, les gouttelettes sont rapidement congelées en place sur la surface, tranché en coupe avec un faisceau d'ions, puis imagée à l'aide d'un microscope électronique à balayage.

"La méthode repose sur la préservation de la géométrie des échantillons par congélation rapide dans de la neige fondue d'azote liquide à moins 210 degrés Celsius [moins 346 degrés Fahrenheit], " Rykaczewski dit. " Le taux de congélation est si rapide (environ 20, 000 degrés Celsius par seconde) que l'eau et les autres liquides ne cristallisent pas, et leur géométrie est préservée."

La technique pourrait être utilisée pour étudier de nombreuses interactions différentes entre les liquides ou les gaz et les surfaces solides, dit Varanasi. "C'est une toute nouvelle technique. Pour la première fois, nous pouvons voir ces détails de ces surfaces."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.