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自然中的热现象:仿生荷叶表面强化冷凝传热

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发表于 2020-3-15 17:59:01 | 显示全部楼层 |阅读模式


荷叶拥有出淤泥而不染的美誉。远在两千多年前,人们就发现荷花虽然生长在污泥里,但荷叶上的灰尘和污垢很容易被露珠和雨水带走,使得叶子几乎永远保持洁净。科学家将荷叶表面自洁净的现象称为“荷叶效应”(见图1)。  
   
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自20世纪60年代扫描电子显微镜的出现,人们才逐渐揭开了荷叶表面自洁净的秘密。1977年,德国学者通过扫描电镜研究荷叶表面结构形态,揭示了荷叶表面的微米乳突结构以及蜡物质是其自清洁功能的关键。中国科学家近年来对荷叶表面微米结构进深入研究发现,荷叶表面乳突结构上还存在纳米结构。经研究表面,荷叶是在表面蜡质组分和微纳米复合结构的协同作用下,才具有独特的超疏水和低粘附特性,如图2所示。实验研究表明,荷叶表面水滴的接触角和滚动角分别约为160°和2°。微小水滴在荷叶表面几乎呈现球形,并且可以在所有方向上自由滚动,同时带走荷叶表面的灰尘,表现出良好的表面自洁净的独特现象。

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我们知道,冷凝过程分为膜状冷凝(图3)和滴状冷凝(图4)。相较于亲水表面蒸汽膜状冷凝,疏水表面珠状凝结过程中蒸气与管壁直接接触,中间没有液膜存在,且疏水表面易于冷凝液滴的脱除,进而大幅提高冷凝相变的传热性能。现有热性能测试实验表明,珠状冷凝的传热系数比膜状冷凝高出一个数量级。具有荷叶效应的微纳米结构超疏水表面,由于超疏水和低粘附特性,可进一步提升冷凝液滴的脱除效能,并且超疏水表面上微小液滴合并还会诱发液滴自弹跳现象,这些都有利于冷凝传热效能的提升。近年来,中国科学家还基于构建研制的微纳米复合结构超疏水铜网表面,实现了高效的滴-膜混合冷凝模式,可以持续稳定地强化蒸汽冷凝传热(National ScienceReview, 2018, 5:878–887)。

仿生荷叶表面为蒸汽冷凝传热强化提供了新的思路和素材。此外,伴随研究的深入,我们相信,仿生荷叶表面将拓展应用至更为广泛的领域,如海水淡化、纺织服装、建筑墙体等。
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