科学者はすべてを提案する

2023 年 8 月 28 日

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国際エクストリーム・マニュファクチャリング・ジャーナルによる

大連理工大学の科学者らは、従来のエネルギーを投入しなくても、除氷および霜取りの効率を十分に高めることができる銅ナノワイヤ集合体の設計を提案している。 具体的には、霜取り効率が 100% に近づき、これまでに報告された研究と比較して最高値を達成しています。

International Journal of Extreme Manufacturing に掲載されたこの研究は、パターン、階層、サイズが制御されたナノワイヤ集合体を製造するための簡単な電気化学的方法を示しています。 これにより、従来の表面では不可能であった光熱特性、熱伝導特性、超疎水特性を同時に発現させることが可能になります。

光熱特性により太陽光の効率的な吸収が確保され、熱伝導特性により太陽光吸収後の横方向の熱伝導が速くなり、超疎水性により表面から溶けた氷/霜が滑り落ちたり、転がったりすることが促進され、以前よりも高い霜取り効果が得られます。報告。

氷と霜の蓄積は、ナノスケールの細胞の極低温凍結からマクロスケールの航空機の飛行に至るまで、さまざまな分野にわたって継続的に重大な課題を引き起こしています。

「従来の除氷/解凍ソリューションは主に機械的、熱的、化学的アプローチに依存していますが、そのすべてがエネルギー集約的、労働集約的、または環境に優しくありません。さらに、これらの積極的なアプローチのいくつかは、組織との直接の接触を必要とします。」 「材料の表面は、繊細なコーティングにリスクをもたらします。表面の機能を損なうことなく、省エネで環境に優しい除氷/解凍を実現するために、ほとんどの取り組みは、表面改質による受動的なアプローチに移行しています」と論文の筆頭著者であるシヤン・ヤンテ氏は述べています。現在は香港理工大学の博士研究員。

最近の関心は、地球上に豊富にあるグリーンエネルギー源である太陽光によって加熱できる超疎水性を有する光熱表面に集中している。 ただし、ほとんどの表面は熱伝導率が低いため、局所的で不均一な加熱が発生します。 したがって、これらの表面特性を熱伝導性材料、特に金属でさらに組み合わせると、除氷および霜取りに関する大きな可能性が秘められていますが、これはまだほとんど解明されていません。

「上記の問題に対処するために、私たちは、制御可能な銅ナノワイヤ集合体を製造するための容易な製造アプローチを開発しました。私たちは、集合体の形態、高さ、スケールは、電気化学パラメーターを調整することによって適切に調整できることを発見しました。湿潤性と光熱試験を通じて、私たちは次のことを発見しました。ほとんどのナノワイヤ集合体は超疎水性として扱うことができ、太陽光の吸収率は 95% を超えています。銅材料の高い導電性のため、ナノワイヤ集合体、特に直立したナノワイヤと平均マイクログルーブ幅 2 ～ 3 μm を備えた設計は、 、優れた除氷および霜取り性能を可能にします」と、論文の最初の共著者である Qixun Li (博士課程の学生、現在は大連理工大学) は述べています。

この革新的な設計は、超疎水性、光熱効果、またはそれらの組み合わせだけで、他の 3 つのナノ構造表面よりも全体の解凍時間を 2 ～ 3 倍短縮できます。 印象的なことに、この設計は、以前の製品と比較して最高の霜取り効率 (約 100%) を達成しています。

「原理的には、製造の容易さ、高い制御性、および形態の多様性を組み込んだナノワイヤアセンブリの設計は、従来のエネルギー投入の必要性を排除する幅広い除氷および霜取り用途で有望である。しかし、耐久性、拡張性、および化学的性質は重要である」ナノワイヤ集合体の安定性は、複雑な作業条件を伴う実際の用途では制限されるため、製造効率、材料スケール、および表面耐久性を改善するには、より一般的なマイクロ/ナノ材料加工方法を開発する必要がある。それにもかかわらず、この研究の設計コンセプトは役立つ。特に電力不足に直面している寒冷地において、将来の研究努力のための羅針盤となる」と、大連理工大学の化学工学教授であり、この研究の責任著者でもあるシュエフ・マー氏は述べた。