河南大学鞠婕教授团队Nano Lett.：应用于盐水喷雾冷却的动态分子刷表面

摘要：

喷雾冷却通过液滴蒸发散热，是有效的冷却方式。考虑到全球淡水资源危机，利用海水代替淡水进行喷雾冷却极具吸引力。然而，盐垢在蒸发表面沉积影响海水喷雾冷却。为解决上述问题，本研究将类液分子刷引入蒸发表面，该表面的动态特性可调控盐晶结晶过程，盐晶底部形成柱状结构，盐晶可在重力作用下自基底表面脱落。进一步地，构建了聚硅氧烷接枝的铝合金表面（PBGAA），在2 h的喷雾冷却中PBGAA表面温度从67.9 ℃降至55.4 ℃，而普通铝合金表面（AA）温度从67.9 ℃升至75.9 ℃。与之对应地，PBGAA表面盐晶重量为0.015 g，AA表面盐晶重量为1.242 g。该分子刷接枝策略为海水喷雾冷却提供了可能。

该工作以“Dynamic Brush Surface Inducing Mobile Crystallization for Sustainable Spray Cooling Using Saline”为题发表在《Nano Letters》上。河南大学纳米科学与材料工程学院为论文第一通讯单位，河南大学纳米科学与材料工程学院赵刘瑞硕士研究生和王依莎硕士研究生为第一作者，纳米科学与材料工程学院罗玉琼副教授、姚晰教授和鞠婕教授为通讯作者。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05828

研究背景：

喷雾冷却通过液滴蒸发带走基底表面热量，是有效的冷却方式。利用海水代替淡水进行喷雾冷却是解决淡水资源危机的有效手段。然而，盐晶在蒸发表面结垢将降低换热效率并发生表面腐蚀，严重制约盐水在喷雾冷却中的应用。目前，现有的防盐垢蒸发表面盐晶难以自脱附，如何降低盐晶与基底表面的粘附力是关键。

研究结论：

本研究将具有高运动性、低粘滞力的聚硅氧烷类液分子刷引入蒸发表面，调控盐水蒸发过程中盐晶成核、生长行为，降低盐晶与基底间的接触面积，构建具有超低粘附特性的蒸发表面。结果证明，在蒸发末期，饱和盐水在动态分子刷表面去湿，自基底表面向盐晶迁移，形成液桥，盐晶在液桥内限域纵向生长，最终在盐晶底部形成如“腿部”的柱状结构，盐晶与基底表面间仅有少量点状接触。将基底倾斜一定角度，盐晶在重力作用下自基底表面滑落。研究证明，高基底温度，高盐水浓度、大液滴体积以及低表面滞后更有利于形成柱状结构。通过连续滴加可实现低浓度、小体积盐水液滴形成盐晶从基底表面粘附到自脱附的转变。另外，在铝合金表面气相沉积SiO₂层后接枝类液分子刷（PBGAA），利用3.5wt%盐水进行喷雾冷却，盐晶可从PBGAA表面自脱附，达到动态平衡（0.015 g），基底表面温度在2 h内从67.9 ℃降至55.4 ℃。普通铝合金表面盐晶逐渐增加（1.242 g），且表面温度从67.9 ℃上升至75.9 ℃。证明该动态分子刷策略可为发展长效稳定盐水喷雾冷却表面提供理论依据和技术手段。

研究图文：

图1. 聚硅氧烷接枝分子刷表面（PBGS）盐水喷雾冷却设计思路及盐晶脱附。（a）PBGS表面通过盐水进行喷雾冷却示意图。盐晶底部在蒸发末期形成柱状结构，盐晶在重力作用下自基底表面脱落，在无外力作用下完成蒸发表面更新。（b）10 μL，25 wt%盐水液滴在聚硅氧烷分子刷接枝玻璃表面（PBGG，90 °C）的蒸发过程，液滴在表面滑动，蒸发，盐结晶，盐晶提升以及自脱附。

图2. 聚硅氧烷分子刷接枝玻璃表面（PBGG）表面盐水蒸发、结晶及盐晶脱附性能。（a）1-μL, 10 wt% NaCl液滴在90 °C PBGG表面的蒸发过程，蒸发末期，盐晶底部形成柱状结构，盐晶自基底表面提升。（b）盐晶底部电镜图，蒸发早期形成块状晶体，蒸发末期在盐晶底部外围形成柱状结构。（c）PBGG表面盐晶结晶机理示意图。由于PBGG表面超低的接触角滞后，NaCl饱和溶液在蒸发末期自基底表面迁移至盐晶，形成液桥，盐晶在液桥内限域纵向生长，最终在盐晶底部形成柱状结构，盐晶与基底表面间少量点状接触模式可大大降低盐晶与基底间粘附力。（d）1-μL, 25 wt% NaCl液滴在100 °C PBGG表面的蒸发后，基底表面倾斜26°，盐晶在重力作用下自基底表面滑落。（e）基底温度以及NaCl浓度对盐晶脱落所需倾斜角度的影响，基底温度越高，NaCl浓度越高，盐晶脱落所需基底倾斜角度越小。

图3. 小体积NaCl液滴在聚硅氧烷分子刷接枝玻璃表面（PBGG）表面结晶及盐晶脱附性能。不同体积3.5 wt% NaCl液滴在不同温度PBGG表面盐晶提升现象（a）及对应相图（b），小体积液滴以及基底温度较低时，盐晶无自提升现象。（c）第一滴0.1 μL NaCl液滴在60 °C PBGG表面蒸发后无盐晶自提升现象，第二滴滴加后盐晶出现自提升现象。（d）将3.5 wt% NaCl溶液连续喷洒在垂直放置PBGG表面（90 °C），第一滴盐滴蒸发后盐晶粘附在PBGG表面，第二滴盐滴蒸发后盐晶自PBGG表面自提升并脱落。（e）垂直PBGG表面盐滴连续喷洒、蒸发、结晶，盐晶脱附示意图，第二滴盐滴蒸发结晶后盐晶自PBGG表面脱附。

图4. 3.5 wt% NaCl溶液在聚硅氧烷接枝铝合金表面（PBGAA）以及普通铝合金表面（AA）表面的喷雾冷却以及盐晶脱附性能。（a）3.5 wt% NaCl溶液在100 °C PBGAA（左侧）以及AA（右侧）喷雾蒸发2 h后的粘附状态。PBGAA表面仅有少量盐晶粘附，大量盐晶自PBGAA表面脱附，AA表面具有大量盐晶粘附。（b-c）喷雾冷却性能测试装置示意图。利用热电偶测试铝合金样品背面温度。2 h喷雾冷却过程中，不同样品表面温度变化（d）以及沉积盐晶重力变化（e）。在2 h的喷雾冷却中，PBGAA表面温度从67.9 ℃降至55.4 ℃，而普通铝合金表面（AA）温度从67.9 ℃升至75.9 ℃。与之对应地，PBGAA表面盐晶重量为0.015 g，AA表面盐晶重量为1.242 g