Нанопокрытие KAIST ускорило конденсацию и повысило теплоотдачу в 5,5 раза

Инженеры из KAIST представили разработку, которая способна изменить подход к теплообмену в энергетике и машиностроении.

Исследователи обнаружили, что микроскопические неровности на ультратонком полимерном покрытии — структуры, которые раньше считались дефектами, — радикально ускоряют конденсацию пара и увеличивают эффективность теплоотдачи.

Работа выполнена под руководством профессора машиностроения Ёнсука Нама и профессора химической инженерии Сон Гап Има. Статья опубликована в Nature Communications.

Как работает новое покрытие

Созданное нанопокрытие повышает коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара в 5,5 раза относительно стандартных медных поверхностей и более чем на 50% превосходит современные гидрофобные материалы.

Главная проблема конденсационных систем — образование сплошной водяной пленки на металле. Она действует как теплоизолятор и снижает эффективность отвода тепла. Инженеры стремятся перейти к капельному режиму, когда вода формирует отдельные капли и сразу скатывается, освобождая поверхность для нового цикла конденсации. Но до сих пор существовал парадокс: шероховатость увеличивает число точек зарождения капель, но удерживает воду; идеально гладкие поверхности позволяют каплям быстро уходить, но дают мало центров конденсации.

Дефекты, которые стали преимуществом

Команда KAIST использовала метод инициированного химического осаждения из газовой фазы (iCVD), нанося ультратонкие пленки фторполимера pPFDMA. При толщине менее 100 нм на поверхности формируются плотные наноагрегаты — полукристаллические структуры, которые раньше считались браком.

Эксперименты показали, что эти агрегаты работают как идеальные центры зарождения капель: их плотность в три раза выше, чем у толстых пленок. Чтобы капли не задерживались, поверхность дополнительно обработали при 80 °C — это снизило адгезию и позволило микрокаплям мгновенно отрываться, не образуя изолирующую пленку.

Результаты испытаний

На стандартных медных трубах теплообменников покрытие достигло коэффициента теплоотдачи 88 кВт/(м²·К). Поверхность фактически превращается в самообновляющийся конвейер: капля отрывается — на ее месте сразу формируется новая.

Метод iCVD легко масштабируется и подходит для деталей сложной формы, что делает технологию готовой к промышленному внедрению.

Что даст внедрение

По оценкам авторов, технология позволит:

• уменьшить размеры конденсаторов и теплообменников;
• снизить расход металла в машиностроении;
• повысить КПД тепловых и атомных электростанций;
• решить проблему перегрева высокопроизводительных процессоров и серверных стоек.