Raziskave medfaznih pojavov kapljic in mehurčkov na funkcionaliziranih površinah ob uporabi napredne diagnostike za razvoj okoljskih tehnologij prihodnosti in izboljšanega prenosa toplote (DroBFuSE)

Interakcija mehurčkov in kapljic s trdninami je osnova mnogih fizikalnih pojavov, ki krojijo naš vsakdan, hkrati pa je to področje del znanstvenega raziskovanja že več stoletij. Vrenje in z njim povezan nastanek parnih mehurčkov je eden najbolj učinkovitih mehanizmov prenosa toplote, ki ga srečamo pri proizvodnji pare v elektrarnah, pri termičnih separacijskih procesih in dandanes tudi pri hlajenju visoko zmogljivih elektronskih naprav. Razumevanje interakcije med kapljicami in površinami pa je po drugi strani pomembno na področju kondenzacije, pri načrtovanju mikrofluidičnih naprav, v biomedicini, okoljskih tehnologijah in drugod. Na medfazne pojave (plin/trdnina ter kapljevina/trdnina) je možno vplivati s pomočjo uporabe funkcionaliziranih površin. Nadaljnji razvoj, ki bi omogočal optimizacijo in preboj naprednih funkcionaliziranih površin v vsakdanjo uporabo, je omejen zaradi njihove neustrezne robustnosti in pomanjkljivega bazičnega razumevanja medfaznih pojavov. To je povezano tudi s pomanjkanjem eksperimentalnih pristopov, krajevno in časovno visoko resolucijskih podatkov in nenazadnje fizikalnih ali pol-empiričnih modelov.

Znotraj tega projekt DroBFuSE naslavlja nekatera najpomembnejša današnja vprašanja, tako za mehurčke in kapljice, in sicer preko razvoja postopkov za izdelavo robustnih funkcionalnih površin, napredne diagnostike, procesiranja podatkov in mehanističnega modeliranja. Pričakovani rezultati projekta med drugim vključujejo sledeče:

• Nove eksperimentalne pristope za (i) merjenje temperature v kapljevini na parno/kapljeviti/trdni meji pri mehurčkastem vrenju (preko izkoriščanja temperaturne odvisne absorpcije svetlobe v NIR področju) in (ii) določanje prehoda med dvema režimoma omočenja (CB-W) na debelih in tankih superhidrofobnih (SHPO) substratih (preko uporabe tankoplastnih piezoelektričnih zaznaval in laserske interferometrije).
• Razvoj robustnih SHPO površin za zagotavljanje dolgotrajnega izboljšanega vrenja in za aplikacije povezane s kondenzacijo. Pri tem bodo uporabljena skalabilne tehnologije, med drugim lasersko teksturiranje, oksidacija, hidrotermalna obdelava in ultratanki hidrofobni nanosi debeline ene ali nekaj molekularnih plasti.
• Nove okolju prijazne robustne SHPO površine izdelana na osnovi organskih hidrofobnih premazov z optimizirano površinsko mikro/nanostrukturo.
• Konceptualno rešitev za pridobivanje vode iz megle ali tokov, ki vključujejo vodne kapljice v velikostnem območju mikrometrov.
• Nove mehanistične modele za napovedovanje velikosti in frekvence parnih mehurčkov pri vrenju na funkcionalnih površinah, ob upoštevanju omočljivosti površin in termofizikalnih lastnosti materialov.
• Nove oz. do sedaj neobstoječe modele, ki popisujejo obnašanje kapljic na SHPO površinah pod vplivom povečanega tlaka zaradi delovanja zunanjih sil.
• Na področju vrenja bodo rezultati projekta omogočali razvoj novih modelov in prebojne ugotovitve glede optimizacije funkcionalnih površin z namenom doseganja visoke gostote toplotnega toka (iznad zmožnosti danes obstoječih tehnologij) pri hlajenju različnih tehnološko naprednih naprav. Raziskave na področju obnašanja vodnih kapljic na funkcionalnih površinah pa bodo pomembno pripomogle pri nadaljnjem razvoju okoljskih tehnologij, kot so na primer naprave za zbiranje vode iz atmosfere, napredni kondenzatorji, samočistilne in antibakterijske površine, ki imajo neskončne možnosti uporabe v znanstvene namene in v vsakdanjem življenju.

Visoko postavljene cilje projekta DroBFuSE bo možno doseči preko jasno zastavljenega programa dela, interdisciplinarnega sodelovanja med dvema laboratorijema iz Slovenije (ULFS) in najboljših svetovno priznanih inštitucij (MIT, KU Leuven, Silicon Austria Labs ter Univerze v Pisi in Toulousu), ter na podlagi integracije znanj iz preteklih izjemno uspešno zaključenih (ali še aktivnih) projektov, kot so na primer projekti financirani s strani Evropske vesoljke agencije (eksperiment RUBI) in agencije ARRS (J2-2486, N2-0251, J2-3052, J2-1741, L2-1833).

Stanje realizacije projekta v delovnih sklopih WP2-WP5 v obdobju M1-M16.

WP2: Razvoj naprednih diagnostičnih orodij (M1-M18)

T2.1 Eksperimentalni sistem za merjenje temperature v kapljevini v okolici vrelnega mehurčka (M1-M16)

Zasnova, nakup in postavitev opreme je bila uspešno izvedena, preliminarni rezultati, predvsem ob uporabi mikrotermočlena, so bili uspešno izvedeni.

T2.2 Razvoj algoritmov za obdelavo slik za analizo procesa vrenja (M6-M18)

Algoritmi vezani na sinhronizacijo podatkov in detekcijo parno-kapljevite mejne plasti so bili realizirani. Sledi še realizacija dela naloge vezana na določitev temperaturnega polja iz meritev absorpcije svetlobe v NIR spektru.

T2.3 Eksperimentalni sistem za evalvacijo tranzicije omočljivosti (M1-M14)

Eksperimentalni sistem je uspešno postavljen in delujoč ter omogoča tako spremljanje procesa tranzicije omočljivosti na tankih, kot tudi na debelih vzorcih.

T2.4 Razvoj algoritmov za obdelavo slik pri eksperimentih z vodnimi kapljicami (M6-M12)

Algoritmi, ki so uspešno realizirani v programskih okoljih Matlab in Python, omogočajo detekcijo kapljevito-parne meje pri stiskanju vodnih kapljiv med dvema superhidrofobnima površinama ter sihnronizacijo rezultatov z merilnikom sile, pri čemer je zajem realiziran v okolju Dewesoft X.

WP3: Raziskave procesa vrenja in dinamike parnih mehurčkov na funkcionaliziranih površinah

T3.1 Izdelava vzorcev s funkcionalnimi površinami za teste vrenja (M6-M10)

Vzorci izdelani na osnovi tankih kovinskih folij in različnim materialov, so bili uspešno obdelani s kombinacijo laserskega teksturiranja in prevlek z nizko površinsko energijo ter že umeščeni v eksperimente vrenja, kjer smo dokazali njihovo učinkovitost pri generiranju parnih mehurčkov na točno določenih superhidrofobnih mestih.

T3.2 Izvajanje eksperimentov vrenja na tankih in debelih vzorcih ob uporabi napredne diagnostike (M8-M16)

Obsežna matrika eksperimentov je bila izvedena, pri čemer so najbolj obetavni rezultati doseženi z uporabo mikrotermočlena, s katerim smo uspešno diagnosticirali razvoj termične mejne plasti, ki je nujno potreben in pogosto manjkajoč podatek pri razvoju modelov za napovedovanje rasti parnih mehurčkov.

T3.3 Obravnava vpliva omočljivosti na dinamiko meruškov in mehanizme prenosa toplote (M17-M30)

Ta naloga se trenutno začenja izvajati, skladno s predvideno časovnico.

T3.4 Modeliranje sočasnih vplivov omočljivosti površine in lastnosti grelne površine (M22-M34)

Ta naloge je predvidena za realizacijo ob koncu drugega leta in v tretjem letu izvajanja projekta.

WP4: Obnašanje kapljiv na funkcionalnih površinah in izdelava konceptne rešitve za zbiranje vode iz atmosfere

T4.1 Razvoj funkcionalnih površin (M9-M15)

Naloga je uspešno realizirana, izdelane so bile hierarhične (stohastične) strukture na različnih substratih s superhidrofobnimi prevlekami ter strukture z deterministično strukturo, izdelane na siliciju s pomočjo litografske tehnike.

T4.2 Eksperimenti tranzicije omočljivosti ob uporabi napredne diagnostike (M10-M16)

Naloga je bila uspešno realizirana, eksperimenti tranzicije omočljivosti so bili uspešno izvedeni. Najbolj obetavni rezultati so bili doseženi na silicijevih superhidrofobnih površinah. Primerjava meritev med visokoresolucijskim sistemom za merjenje sile ter analitični rezultati izkazujejo visoko stopnjo ujemanja.

T4.3 Procesiranje podatkov in modeliranje (M17-M27)

Ta naloga se trenutno začenja izvajati, skladno s predvideno časovnico.

T4.4 Konceptna naprava za zbiranje vode iz zraka (M28-M36)

Naloga je predvidena za izvedbo v zadnjem letu trajanja projekta.

WP5: Razširjanje in izkoriščanje rezultatov projekta

T5.1 Prezentacija rezultatov projekta splošni javnosti (M3-M36).

Splošni javnosti je bilo do sedaj predstavljeno delo v obliki petih konferenčnih prispevkov, kjer je imela dostop do vsebine konference ne zgolj znanstvena skupnost, temveč tudi širša strokovna in splošna javnost. Rezultati so prosto dostopno objavljeni, trije prispevki od petih so v slovenskem jeziku.

T5.2 Prezentacija in razširjanje rezultatov v znanstveni skupnosti (M6-M36)

Do sedaj objavljenih 7 znanstvenih člankov, 5 objavljenih znanstvenih prispevkov na konferencah in treh prispevkov na konferencah brez natisa. Dodatno so bila izvedena tri predavanja, od tega dve predavanji na tuji univerzi in eno predavanje na zimski šoli prenosa toplote pri vrenju za doktorske študente v Franciji.

T5.3 Prezentacija in razširjanje rezultatov industrijskim partnerjem (M30-M36)

Naloga je predvidena za izvedbo v zadnjem letu trajanja projekta.

• BUCCI, Mattia, BERCE, Jure, ZUPANČIČ, Matevž, MOŽE, Matic, GOLOBIČ, Iztok. Dry spot propagation during boiling crisis on thin metal heaters. Applied thermal engineering. Dec. 2024, vol. 257, part a, [article no.] 124207, str. 1-12, ilustr. ISSN 1359-4311. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431124018751, DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2024.124207.
• BUCCI, Mattia, ZUPANČIČ, Matevž, MOŽE, Matic, GOLOBIČ, Iztok. Influence of thin heater properties on wall heat transfer dynamics during quasi-steady bubble life cycle : presentation at the conference ‘Micro and Nanoscale Phase Change Phenomena’, Gordon Research Conference, January 12-17, 2025, Pomona, California, United States.
• JEREB, Samo, MOŽE, Matic, ZUPANČIČ, Matevž, GOLOBIČ, Iztok. Eksperimentalno ovrednotenje Laplaceovega tlaka kapljice pri prehodu iz heterogenega v homogeno omočenje površine. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024.
• SHANG, Yuheng, MOŽE, Matic, TANSU AKSOY, Yunus, CASTAGNE, Sylvie, SEVENO, David, GOLOBIČ, Iztok, VETRANO, Maria Rosaria. Effect of surface wettability on dynamic behaviors and freezing mechanisms of water droplets impacting cold surfaces. Physics of fluids. Sep. 2024, vol. 36, iss. 9, [article no.] 092004, str. 1-22, ilustr. ISSN 1070-6631. DOI: 10.1063/5.0222155.
• RODIČ, Peter, KOVAČ, Nina, KRALJ, Slavko, JEREB, Samo, GOLOBIČ, Iztok, MOŽE, Matic, MILOŠEV, Ingrid. Anti-corrosion and anti-icing properties of superhydrophobic laser-textured aluminum surfaces. Surface & coatings technology. [Print ed.]. 2024, vol. 494, art. 131325, str. 1-15, ilustr. ISSN 0257-8972. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0257897224009563, DOI: 10.1016/j.surfcoat.2024.131325.
• LOVŠIN, Robert, JEREB, Samo, ZUPANČIČ, Matevž, MOŽE, Matic. Influence of laser-fabricated surface features on droplet spreading, rebound behaviour, and ice adhesion on superhydrophobic surfaces. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024. Ljubljana: Zveza strojnih inženirjev Slovenije – ZSIS, 2024. Letn. 13, št. 1/6, str. 76-77, ilustr. Svet strojništva, letn. 13, št. 1/6. ISSN 1855-6493.  DOI: 10.62020/svet.str.as2024017.
• ARHAR, Klara, MOŽE, Matic, ZUPANČIČ, Matevž, GOLOBIČ, Iztok. Rast vodikovih mehurčkov pri elektrolizi na platinasti mikroelektrodi. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024. Ljubljana: Zveza strojnih inženirjev Slovenije – ZSIS, 2024. Letn. 13, št. 1/6, str. 118-119, ilustr. Svet strojništva, letn. 13, št. 1/6. ISSN 1855-6493. DOI: 10.62020/svet.str.as2024038.
• MOŽE, Matic, JEREB, Samo, LOVŠIN, Robert, SHANG, Yuheng, ZUPANČIČ, Matevž, VETRANO, Maria Rosaria, GOLOBIČ, Iztok. Reducing contact time of impacting droplets and enhancing freezing resistance with rationally microengineered superhydrophobic surfaces with micropillar arrays : presentation at the conference ‘Micro and Nanoscale Phase Change Phenomena’, Gordon Research Conference, January 12-17, 2025, Pomona, California, United States.
• ŽALEC, Domen, MOŽE, Matic, ZUPANČIČ, Matevž, GOLOBIČ, Iztok. Elucidating the effects of surface wettability on boiling heat transfer using hydrophilic and hydrophobic surfaces with laser-etched microchannels. Case studies in thermal engineering. May 2024, vol. 57, [article no.] 104357, str. 1-17, ilustr. ISSN 2214-157X. DOI: 10.1016/j.csite.2024.104357.
• ŽALEC, Domen, HADŽIĆ, Armin, MOŽE, Matic, GOLOBIČ, Iztok. Hierarchical surfaces with open microchannels and laser-induced microcavities for enhancement of pool boiling critical heat flux. International journal of heat and mass transfer. Dec. 2024, vol. 235, [article no.] 126192, str. 1-12, ilustr. ISSN 1879-2189. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126192.
• HADŽIĆ, Armin, MOŽE, Matic, ZUPANČIČ, Matevž, GOLOBIČ, Iztok. Aluminum micropillar surfaces with hierarchical micro- and nanoscale features for enhancement of boiling heat transfer coefficient and critical heat flux. Nanomaterials. [Online ed.]. Apr. 2024, vol. 14, iss. 8, [article no.] 667, str. 1-19, ilustr. ISSN 2079-4991. DOI: 10.3390/nano14080667.
• BERCE, Jure, HADŽIĆ, Armin, ZUPANČIČ, Matevž, MOŽE, Matic, GOLOBIČ, Iztok. Obstojne superhidrofobne bakrene površine za izboljšan prenos toplote pri mehurčkastem vrenju. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024. Ljubljana: Zveza strojnih inženirjev Slovenije – ZSIS, 2024. Letn. 13, št. 1/6, str. 52-53, ilustr. Svet strojništva, letn. 13, št. 1/6. DOI: 10.62020/svet.str.as2024005.
• HADŽIĆ, Armin, ŽALEC, Domen, ZUPANČIČ, Matevž, MOŽE, Matic, GOLOBIČ, Iztok. Pool boiling heat transfer performance enhancement on copper surfaces with laser-textured open microchannel. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024. Ljubljana: Zveza strojnih inženirjev Slovenije – ZSIS, 2024. Letn. 13, št. 1/6, str. 80-81, ilustr. Svet strojništva, letn. 13, št. 1/6. DOI: 10.62020/svet.str.as2024019.
• BUCCI, Mattia, ZUPANČIČ, Matevž, MOŽE, Matic, GOLOBIČ, Iztok. Influence of thin heater properties on wall heat transfer dynamics during quasi-steady bubble life cycle : presentation at the conference ‘Micro and Nanoscale Phase Change Phenomena’, Gordon Research Conference, January 12-17, 2025, Pomona, California, United States.
• BERCE, Jure, HADŽIĆ, Armin, ZUPANČIČ, Matevž, GOLOBIČ, Iztok. Towards long-term durability of superhydrophobic laser-microengineered surfaces for enhanced nucleate pool boiling : presentation at the conference ‘Micro and Nanoscale Phase Change Phenomena’, Gordon Research Conference, January 12-17, 2025, Pomona, California, United States.
• JEREB, Samo, MOŽE, Matic, ZUPANČIČ, Matevž, GOLOBIČ, Iztok. Eksperimentalno ovrednotenje Laplaceovega tlaka kapljice pri prehodu iz heterogenega v homogeno omočenje površine. V: Akademija strojništva 2024 : inženirstvo – inovativen trajnostni razvoj z visoko dodano vrednostjo : Ljubljana, Cankarjev dom ter prek spleta, 10. december 2024.