Новое исследование показало, что способность к быстрому испарению специализированного полимера, содержащего сеть динамических связей в его основе, помогает формировать водостойкое самовосстанавливающееся покрытие наноразмерной толщины. Исследование, проведенное профессором машиностроения и инженерии в Иллинойсе в Урбане-Шампейн, Ненадом Мильковичем и профессором материаловедения и инженерии Кристофером Эвансом, опубликовано в журнале Nature Communications.
В этом исследовании группа Miljkovic в первую очередь сосредоточила внимание на повышении эффективности паровых электростанций, которые являются крупнейшими производителями электроэнергии в мире, за счет использования этих типов покрытий в своих конденсаторах. «Покрытия, нанесенные на поверхности конденсаторов, делают их более водостойкими и эффективными при образовании капель воды, что оптимизирует теплопередачу», – сказал старший научный сотрудник Цзинчэн Ма, соавтор исследования.
По словам исследователей, при использовании на паровых электростанциях тонкие покрытия могут иметь множество проблем с долговечностью. Покрытие может разрушаться в течение недель, а иногда и часов. Такой короткий срок службы делает практическое применение покрытий непрактичным, что было фундаментальной проблемой в механике и материаловедении в течение примерно восьми десятилетий.
Более толстые покрытия могут быть более долговечными, но они снижают теплопередачу и разрушают связанные с этим преимущества покрытия.
Предыдущие исследования показали, что на большинстве ультратонких покрытий образуются крошечные дефекты с отверстиями после отверждения на поверхности. По словам исследователей, пар проникает через эти дефекты, что приводит к постепенному отслаиванию покрытия, поэтому их целью было разработать водостойкую тонкую пленку без отверстий и повысить общую энергоэффективность паровых электростанций на несколько процентов.
«Самовосстанавливающиеся материалы могут быть переработаны и переработаны сами по себе», – сказал Эванс. «Мы обнаружили, что можем успешно использовать заживление, обеспечиваемое динамическими связями, позволяя покрытиям самовосстанавливаться в ответ на царапины или предотвращать рост точечных отверстий."
Этот материал, называемый dyn-PDMS, может быть легко нанесен погружением на материалы в наноразмерных слоях на различных поверхностях, таких как кремний, алюминий, медь или сталь.
«Одна из причин, по которой мы можем получить такие тонкие слои, заключается в том, что растворители, используемые в реакции, испаряются очень быстро, оставляя только полимер», – сказал Эванс. «Кроме того, после отверждения материал очень быстро восстанавливается от царапин – настолько быстро, что за ним трудно наблюдать в реальном времени.
Мы не наблюдаем такого поведения в больших объемных образцах материала – только в тонких пленках, и это вопрос, на который мы пытаемся ответить сейчас."
Исследователи утверждают, что ультратонкие покрытия, разработанные в этом исследовании, предлагают решение для устойчивых водостойких материалов и поднимают открытые научные вопросы в области материаловедения и механики жидкости, которые остаются без ответа.
Управление военно-морских исследований, Международный институт углеродно-нейтральных исследований энергии, Управление научных исследований ВВС и Национальный научный фонд поддержали это исследование.
Милькович и Эванс работают в Лаборатории исследования материалов. Милькович также связан с электротехнической и компьютерной техникой.
Эванс также является членом Института передовых наук и технологий Бекмана, а также химической и биомолекулярной инженерии.