冷凝强化！科学家研究出可在市场上直接应用的hi-mesh表面

（A）在疏水的平面上的滴状冷凝。（B）在亲水平面上的膜状冷凝。(C) 在hi-mesh表面上的吸入式冷凝，由液滴-膜融合和液滴-液滴吸入流动组成，有效地提高了表面的清新度和液滴的生长。（D）扫描电子显微镜（SEM）图像的hi-mesh表面组成的编织网线粘到铜基板。（E）扫描电镜（SEM）图像显示了覆盖在网状金属丝和基底上的高密度纳米结构。（F）在hi-mesh表面的延时吸入式凝结水。(G) 在hi-mesh表面保持强化凝结传热。图片来源：中国科学出版社

冷凝传热对一些能源密集型产业的工作效率起着至关重要的作用，例如发电、能源利用、水的收集与淡化、空调和电子设备的热管理等领域。众所周知，疏水表面上频繁滚落的滴状冷凝(图1A)会使常与外界蒸汽接触的表面保持活性。与亲水表面的膜状冷凝相比，滴状冷凝具有更高数量级的传热效率（图1B）。因此，自发现这个现象以来，通过表面改性而促进滴状缩合吸引了广大的关注。然而，改善冷凝传热性能面临的长久难题是如何改善液滴生长和表面刷新。与用于自清洁、减阻、防腐和防雾的疏水微/纳米结构材料相比，当务之急是能在具有高导热性的金属上进行低成本操作来生成大面积超疏水表面以遵循流体力学和满足各种标准要求。

铜微网、微泡沫等金属微网由于成本低、可扩展性好，因此在油水分离、催化剂载体等各种工业应用中得到了广泛的应用。这些铜网和泡沫还被用来改善液体的导热性能，以提高液体的导热沸腾和蒸发传热。然而，对于机织网表面汽相冷凝的基本机理还缺乏系统的研究。来自科罗拉多大学博尔德分校、华中科技大学、北京交通大学和大连理工大学的杨荣桂和同事们提出了一个超疏水的分级网状覆盖表面(hi-mesh)的概念，这种表面可以使液体冷凝液进行连续吸入流动（如图1C），并能在非常大的表面过冷度下维持强化冷凝传热性能。他们把这项研究结果发表在了《国家科学评论》杂志上。（文章题目为“Sustaining enhanced condensation on hierarchical mesh-covered surfaces”）

在这项研究中，商业铜编织网作为原材料。通过将编织铜网粘合到普通铜基板上可形成hi-mesh的典型结构特征（图1D）。除此之外，暴露在空气中的基板与网丝表面上能形成高密度刀状氧化铜纳米结构（图1E），而且还可以用作液滴形成和生长的形核点。在蒸汽冷凝期间，基底上的有核液滴快速生长结合，并在基底和机织网格层之间的互连通道中形成薄膜液体膜。当在网丝上生长的小液滴与薄液膜合并时，可以通过将其拉入液膜中进行有效地去除，同时可以加速表面刷新以使液滴重新成核并在网丝上生长。通过连续液滴-膜聚结，液滴之间的交织通道可以填充液体凝聚体。一旦液体膜克服拉普拉斯压力并从编织的网状层中生长出来，周围的液膜就能以重力驱动的落液滴的形式连续抽出，从而加速表面的刷新（图1F）。通过将网丝上的高性能滴状冷凝与交织通道中的薄液膜冷凝进行耦合，会导致吸入流体冷凝性能优于膜状和滴状冷凝的传热性能(图1G)。

这项研究大大推进了冷凝传热强化在各领域的应用，包括可伸缩材料领域、新型液体去除机理研究领域和未开发的传热强化应用领域。此外还包括如下应用：（1）采用低成本的市场原料制作出可烫印的超疏水hi-mesh表面；（2）新型吸流除液机理可证明既能促进表面清新又能促进液滴生长；（3）与其它微/纳米结构表面上的滴状冷凝相比，在大的表面过冷度范围内，凝结传热得到了前所未有的强化。

hi-mesh表面持续强化冷凝的研究不仅具有基础科学意义，他们还借此推出了新型吸流强化液体去除技术。与此同时还解决了把微/纳米结构材料推向实际应用的长期难题。为了弥合防水表面与高性能相变传热过程之间的差距，这些低成本的 hi-mesh 表面可以随时应用在能源或水资源等领域，比如发电、海水采集与淡化、空调和电子的热管理等领域。

文章来自phys.org，原文题目为：Condensation enhancement: Toward practical energy and water applications，由材料科技在线汇总整理。