El agua se hierve mucho, ya sea una taza de té en la cocina o una planta de generación de electricidad. Cualquier mejora en la eficiencia de este proceso tendrá un gran impacto en la cantidad total de energía utilizada cada día.

Una de esas mejoras podría venir con un tratamiento recientemente desarrollado para superficies involucradas en el calentamiento y la evaporación del agua. El tratamiento mejora dos parámetros clave que determinan el proceso de ebullición: el coeficiente de transferencia de calor (HTC) y el flujo de calor crítico (CHF).

La mayoría de las veces, hay una compensación entre los dos: a medida que uno mejora, el otro empeora. Después de años de investigación, el término de búsqueda detrás de la técnica encontró una manera de mejorar ambos.

«Ambos parámetros son importantes, pero mejorar los dos parámetros juntos es un poco complicado porque tienen una compensación intrínseca», dice el científico bioinformático Youngsup Song del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California.

«Si tenemos muchas burbujas en la superficie de ebullición, eso significa que la ebullición es muy eficiente, pero si tenemos muchas burbujas en la superficie, pueden fusionarse, lo que puede formar una película de vapor en la superficie de ebullición».

Cualquier película de vapor entre la superficie caliente y el agua introduce resistencia, disminuyendo la eficiencia de transferencia de calor y el valor CHF. Para solucionar el problema, los investigadores crearon tres tipos diferentes de modificación de la superficie.

En primer lugar, se añaden una serie de tubos a microescala. Este conjunto de tubos de 10 micrómetros de ancho, separados unos 2 milímetros, controla la formación de burbujas y las mantiene atrapadas en las cavidades. Esto evita la formación de una película de vapor.

Al mismo tiempo, reduce la concentración de burbujas en la superficie, reduciendo la eficiencia de ebullición. Para abordar esto, los investigadores introdujeron un tratamiento a una escala aún más pequeña como la segunda modificación, agregando protuberancias y ranuras de solo nanómetros de tamaño en la superficie de los tubos huecos. Esto aumenta el área de superficie disponible y promueve las tasas de evaporación.

Finalmente, las cavidades a microescala se alojaron en el centro de una serie de pilares en la superficie del material. Estos pilares aceleran el proceso de extracción de líquidos al agregar más área de superficie. En combinación, la eficiencia de ebullición aumenta significativamente.

(Canción et al.)

Arriba: un video en cámara lenta de la configuración de los investigadores muestra agua hirviendo en una superficie especialmente tratada que hace que se formen burbujas en puntos específicos separados.

Como las nanoestructuras también promueven la evaporación debajo de las burbujas y los pilares mantienen un suministro constante de líquido al fondo de la burbuja, se puede mantener una capa de agua entre la superficie de ebullición y las burbujas, lo que aumenta el flujo de calor máximo.

«Mostrar que podemos controlar la superficie de esta manera para mejorar es un primer paso». dice la ingeniera mecánica Evelyn Wang del Instituto de Tecnología de Massachusetts. «Entonces, el siguiente paso es pensar en enfoques más escalables».

«Este tipo de estructuras que estamos haciendo no deberían escalar en su forma actual».

Llevar el trabajo de un laboratorio a pequeña escala a algo que pueda usarse en industrias comerciales no será tan simple, pero los investigadores confían en que se puede hacer.

Un desafío será encontrar formas de crear las texturas superficiales y las tres «capas» de modificaciones. La buena noticia es que existen diferentes enfoques que se pueden explorar, y el procedimiento también debería funcionar para diferentes tipos de líquidos.

«Este tipo de detalles se pueden cambiar y este podría ser nuestro próximo paso». dice canción.

La investigación fue publicada en materiales avanzados.