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).