Был

Aug 29, 2023

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 24653 (2016) Цитировать эту статью

4503 Доступа

39 цитат

Подробности о метриках

В последние годы снижение лобового сопротивления стало серьезной проблемой с точки зрения энергосбережения и защиты окружающей среды. Среди различных подходов к снижению сопротивления в основном исследовались супергидрофобные поверхности из-за их высокой эффективности снижения сопротивления. Однако из-за ограниченного срока службы пластрона (т.е. воздушных карманов) на супергидрофобных поверхностях под водой нестабильность обезвоженных поверхностей стала камнем преткновения для практического применения. Эта работа представляет собой прорыв в улучшении подводной устойчивости супергидрофобных поверхностей за счет оптимизации наноразмерных поверхностных структур с использованием взаимосвязанных структур SiC/Si. Эти структуры обладают непревзойденной стабильностью подводной супергидрофобности и улучшают возможности снижения сопротивления, срок службы пластрона составляет более 18 дней, а максимальный коэффициент снижения скорости составляет 56%. Кроме того, благодаря фотоэлектрохимическому расщеплению воды на иерархической поверхности наноструктуры SiC/Si проблема ограниченного срока службы воздушных карманов была решена за счет пополнения выходящего слоя газа, что также обеспечивает постоянный эффект снижения сопротивления.

Обезвоженные поверхности привлекли большое внимание из-за их широкого спектра потенциальных применений, например, для поверхностей, препятствующих обрастанию1,2,3,4,5,6,7, водонепроницаемых устройств8,9,10, микроканалов11,12, противообрастающих поверхностей. обледенение13,14,15,16,17, разделение нефти и воды18,19,20, снижение сопротивления21,22,23 и другие области, не связанные со смачиванием24,25,26,27,28,29,30,31,32. Среди областей применения обезвоженных поверхностей снижение сопротивления является одной из наиболее важных проблем энергосбережения и защиты окружающей среды, которые за последние несколько десятилетий стали глобальной проблемой. Особенно в области морских судов и каналов для жидкости снижение сопротивления может значительно снизить потребление энергии и ресурсов33,34. Различные структуры и морфологии поверхности были исследованы с целью снижения сопротивления, включая податливые покрытия35,36, полимерные покрытия37,38,39, поверхностно-активные вещества40,41,42, микропузырьки43,44 и супергидрофобные покрытия23,45. Среди различных стратегий снижения сопротивления супергидрофобные поверхности, представляющие собой обезвоженные поверхности, имитирующие листья лотоса, показали доминирующую эффективность в снижении сопротивления. Однако нестабильная подводная супергидрофобность препятствует их практическому использованию46,47,48.

Известно, что в супергидрофобных поверхностях наличие воздушной (или газовой) прослойки на погруженной поверхности приводит к несмачиванию, и, таким образом, стабильность подводной супергидрофобности определяется сроком службы воздушной прослойки49. Однако воздушная прослойка (пластрон) очень нестабильна и имеет ограниченный срок службы из-за диффузии газов воздуха в воду50. Согласно предыдущим исследованиям, скорость диффузии газа в основном определяется характеристиками поверхности (морфологией поверхности и поверхностной энергией) и гидростатическим давлением51,52. Сообщалось, что различные поверхностные структуры, такие как мезопористые структуры, массивы нанопроволок и микро/наноиерархические структуры, увеличивают срок службы воздушной прослойки53,54. Однако, несмотря на столь разнообразные исследования, им не удалось преодолеть непостоянство воздушной прослойки.

В этом исследовании мы разработали новые взаимосвязанные иерархические структуры SiC/Si, используя метод синтеза, основанный на карботермическом восстановлении55. По сравнению с ранее сообщенными структурами, наша поверхность значительно увеличила срок службы воздушной прослойки и продемонстрировала высочайшую стабильность подводной супергидрофобности благодаря своей уникальной сетчатой ​​структуре47,56. Согласно нашим измерениям снижения сопротивления, наша супергидрофобная иерархическая поверхность SiC/Si показала эффект снижения сопротивления на 56% по сравнению с плоской поверхностью Si. И наоборот, супергидрофильная поверхность SiC/Si проявляла свойство усиления сопротивления.