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).

Interaction of bubbles and droplets with solids surfaces is part of our everyday life and has been a source of intrigue for millennia. The formation of vapor bubbles (boiling) is considered as the most effective heat transfer mechanism and is fundamental in steam production (power plants) and thermal separation processes as well as indispensable for cooling of high-powered electronics. Meanwhile, behavior of droplets on solids is important in condensation heat transfer, microfluidics, biomedical engineering, and environmental sciences, to name a few. Bubble/droplet interactions with solids can be controlled through surface functionalization, which can enhance many important processes. However, the future progress is constrained by the surface robustness and the lack of fundamental understanding of bubble/droplet interaction with functionalized surfaces, which is related to the lack of appropriate diagnostic techniques and physical or semi-empirical models.

DroBFuSE project addresses some of the most important knowledge gaps today, simultaneously for bubbles and droplets, through development of robust surface functionalization approaches, advanced diagnostic tools, data processing algorithms, and mechanistic modelling through the force balance approach and heat flux partitioning schemes. Among others, project deliverables include development of:

• Novel advanced experimental approaches for in-liquid temperature measurements during boiling (through temperature dependent absorption of near infrared light) and droplet wettability transition investigations on thick/thin substrates (including utilization of thin-film piezoelectric devices and laser interferometry).
• Robust hydrophobic and superhydrophobic surfaces for long-term enhanced boiling heat transfer and condensation applications. Surfaces will be created through combination of scalable surface functionalization techniques, including direct laser texturing, oxidation, hydrothermal treatment, and pos-processing via hydrophobic monolayers.
• Novel environmentally friendly and robust superhydrophobic surfaces based on organic hydrophobic coatings with optimized micro/nanostructure for environmental applications (i.e., water harvesting).
• Proof-of-concept water harvesting device aimed at capturing water from fog and process streams that include droplets in micrometer size range.
• Mechanistic models and sub-models able to predict the relevant bubble parameters during boiling, such as bubble departure frequency and departure diameter. These advanced models will include contributions from the thermal boundary layer and heat transfer through the liquid/vapor interface in combination with substrate properties (thermophysical properties and wettability).
• Model of droplet behavior on superhydrophobic surfaces under the influence of elevated pressure induced by external forces.
• Project results will provide completely new insights about the effects of surface structure/wettability and substrates’ thermophysical properties on bubble dynamics, allow a breakthrough progress on boiling surface optimization to reach heat fluxes beyond our current capabilities, and inclusion of developed modelling framework to future numerical codes. Investigations of droplets on functionalized surfaces will allow future development of environmental technologies like water harvesters, enhanced condensers, self-cleaning and anti/bacterial interfaces, unlimitedly applicable in future scientific research and our everyday life.

Highly ambitious objectives will be achieved through the (i) well-defined work programme, (ii) systematic collaboration between excellent Slovenian researchers and top-tier foreign institutions (including MIT, KU Leuven, Silicon Austria Labs, Univ. of Pisa and Univ. of Toulouse), and (iii) by integrating knowledge from previous and current projects of the DroBFuSE research group members, including the ones funded by ESA (RUBI experiment) and ARRS (J2-2486, N2-0251, J2-3052, J2-1741, L2-1833).