Создание микро/нанотекстурированных поверхностей с бифильными смачивающими свойствами для управления тепломассопереносом

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-19-00664

НазваниеСоздание микро/нанотекстурированных поверхностей с бифильными смачивающими свойствами для управления тепломассопереносом

Руководитель Терехов Владимир Викторович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова Микро/нанотекстурированные поверхности; испарение; кипение; теплопередача с фазовым превращением; лазерная обработка; смачиваемость; бифильность; супергидрофобность; супергидрофильность; анизотропное смачивание

Код ГРНТИ44.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение одной из междисциплинарных проблем теплофизики, физической химии и материаловедения, связанных с разработкой технологии получения поверхностей, обладающих бифильными, анизотропными и адаптивными свойствами смачиваемости, позволяющими управлять процессами тепломассообмена при кипении, испарении и конденсации. Физике взаимодействия жидкости с микро-/нанотекстурированными поверхностями уделяется все большее внимание в связи с широким спектром перспективных приложений, таких как создание самоочищающихся покрытий и коррозионно-стойких материалов, фильтрация, повышение теплоотдачи и снижение трения. Основное преимущество использования таких материалов - возможность пассивного повышения эффективности. Материалы, обладающие особой смачиваемостью, весьма перспективны и для задач в энергетике, в частности, их использование позволяет интенсифицировать теплообмен. Основными проблемами при создании подобного рода материалов остаются: 1) подбор оптимальных параметров структуры; 2) ее стабильность со временем; 3) масштабируемость метода синтеза для технологической реализации. Выбор оптимальной геометрии поверхности и пространственного распределения свойств смачивания затруднен тем, что на данный момент нет единого представления об эволюции процесса кипения на структурированных поверхностях. В первую очередь это связано со сложностью экспериментального наблюдения за протекающими процессами. Тем не менее, многие группы эмпирическим путем достигали достаточно высоких результатов, например, по увеличению коэффициента теплоотдачи на бифильных или анизотропных поверхностях. В большинстве случаев предлагаемые экспериментальные методики не позволяют проанализировать протекающие процессы, особенно на начальных стадиях зарождения пузырей, а постановка задачи настолько масштабна, что требует значительных компьютерных мощностей для реализации и верификации. Таким образом, необходимо предложить достаточно простую физическую постановку, адаптивную для детального численного моделирования, что будет реализовано в рамках проекта. Научная новизна поставленной задачи в предлагаемом проекте состоит в применении оригинального подхода, который заключается в использовании сочетания методов лазерной и химической обработки материала для получения композитных покрытий с контрастной смачиваемостью. Впервые будет применена идея получения покрытий с контрастным смачиванием – бифильных и анизотропных поверхностей – путём локального удаления (структурирования) лазерным излучением слоя из супергидрофобного материала, покрывающего материал с супергидрофильными свойствами. Таким образом будут созданы уникальные поверхности с различным рисунком и резким пространственным градиентом смачиваемости. Предлагаемые в проекте экспериментально-теоретические и численные исследования теплообмена и развития кризисных явлений вблизи точки Лейденфроста на поверхностях с различной смачиваемостью будут обладать безусловной новизной и помогут дополнить базу экспериментальных данных о процессах взаимодействия воды с перегретой поверхностью на мировом уровне.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В данном проекте исследуется лазерная обработка различных материалов с целью создания функциональных поверхностей с управляемыми свойствами смачивания, а также анализируется поведение капель жидкости при их падении на эти поверхности. Проект включал модернизацию экспериментальных установок и разработку новых методов лазерной обработки. Экспериментальный стенд USLADA был усовершенствован с улучшением системы позиционирования, что позволило повысить точность и надежность лазерной обработки. Установлены новые оптические элементы, улучшены алгоритмы управления движением, а также внедрены прецизионные оптические компоненты для улучшенной фокусировки лазерного пучка. Эти изменения позволили достигнуть высокой разрешающей способности стенда, с точностью до 8 мкм. В результате модернизации стенда для исследований тепломассопереноса капель на разогретых поверхностях была реализована система подачи капель с возможностью регулировки их размеров, а также приобретена печь для стабильного нагрева поверхностей до 500 °C. Основные научные результаты сосредоточены на изучении процессов лазерной обработки и взаимодействия капель с модифицированными поверхностями. Было установлено, что лазерная абляция материалов, таких как кремний, германий, медь, алюминий, сапфир и кварц, приводит к созданию нанопористых структур, что существенно влияет на их свойства смачивания. Проводимые эксперименты показали, что лазерная обработка всех материалов вызывает гидрофилизацию поверхностей, а образование нанопористого слоя способствует изменению их свойств. Это открытие имеет важное значение для создания материалов с контролируемыми адгезионными и смачивающими характеристиками, а также для применения в дальнейшей функционализации. Впервые были получены результаты о влиянии различных типов микроструктуры на интенсивность фазовых переходов при контакте капли жидкости с поверхностью. Для различных материалов (кремний, черный кремний, медь, алюминий) было установлено, что наносекундная лазерная обработка изменяет динамику вскипания капель и снижает температуру Лейденфроста. Этот эффект наблюдается благодаря наличию нанопористых слоев, которые способствуют более быстрому испарению жидкости, что особенно важно для разработки материалов с улучшенными теплопередающими свойствами. Дополнительно был изучен процесс создания бифильных поверхностей, которые представляют собой комбинацию супергидрофильных и супергидрофобных участков. На таких поверхностях можно контролировать фазовые переходы жидкости, что открывает возможности для создания материалов с высокоэффективным теплопередачей и улучшенными антикапельными свойствами. Для более детального изучения процессов капельного взаимодействия был использован метод решеточных уравнений Больцмана (LBM), который позволил моделировать поведение капель на различных материалах с различными температурами и условиями. Этот метод также подтвердил теоретическую модель взаимодействия капли с поверхностью и был верифицирован с экспериментальными данными. Полученные результаты продемонстрировали значимость лазерной обработки для создания новых материалов с уникальными физико-химическими свойствами. Разработанная методика лазерной обработки с созданием нанопористых слоев и бифильных структур позволяет контролировать и изменять свойства смачивания, что имеет широкий потенциал для практического применения в таких областях, как теплопередача, микро- и наноинженерия, а также создание функциональных покрытий.

Публикации

1. Старинский С.В., Васильев М.М., Шухов Ю.Г., Родионов А.А., Суляева В.С. Laser treatment of materials to obtain superhydrophilicity for controlling heat exchange The 31st international conference on Advanced Laser Technologies (ALT), Book of abstract of The 31st International conference on Advanced Laser Technologies, Vladivostok, Russia 2024 (год публикации - 2024)

2. Васильев М.М., Родионов А.А., Гианнакис Т., Кандела М., Терехов В.В., Старинский С.В. Nanosecond laser microtexturing of silicon: morphology and wetting properties Journal of Engineering Thermophysics, Journal of Engineering Thermophysics, 2025, Vol. 34, №. 3., P. 480-486. (год публикации - 2025)
10.1134/S1810232825700146

3. Васильев М.М., Родионов А.А., Шухов Ю.Г., Старинский С.В. Механизм изменения свойств смачивания металлических поверхностей, модифицированных наносекундными лазерными импульсами Сборник докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых учёных "XL Сибирский теплофизический семинар", посвященной 110-летию со дня рождения С.С. Кутателадзе и 300-летию Российской академии наук, Сборник тезисов всероссийская конференция с международным участием и элементами научной школы для молодых учёных «XL Сибирский теплофизический семинар», 20-23 августа 2024 г., Новосибирск, Россия. (год публикации - 2024)

4. Васильев М.М., Родионов А.А., Миськив Н.Б., Старинская Е.М., Старинский С.В. Влияние микроструктуры перегретой супергидрофильной поверхности на динамику вскипания падающей капли воды Сборник докладов IX Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2024), Сборник тезисов докладов IX Всероссийской конференции «Теплофизика и физическая гидродинамика» (ТФГ2024) (год публикации - 2024)

5. Верходанов Д.А., Хомутов Н.А., Пискунов М.В., Вожаков И.С., Старинский С.В., Сафонов А.И., Смирнов Н.И. High-speed impact of water droplets on microtextured surfaces: Effect of roughness and wettability on corona splashing Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 171, 2025, №111618, © 2025 Elsevier Inc. (год публикации - 2025)
10.1016/j.expthermflusci.2025.111618

6. Верходанов Д.А., Пискунова А.Е., Пискунов М.В., Вожаков И.С., Сафонов А.И., Старинский С.В., Смирнов Н.И. Maximum spreading-based method for determining the pre-rebounding sliding length of a water droplet after impact on an inclined superhydrophobic textured surface International Journal of Multiphase Flow, Vol. 189, 2025, №105257, © 2025 Elsevier Ltd. (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijmultiphaseflow.2025.105257

7. Васильев М.М., Родионов А.А., Гианнакис Т., Кандела М., Суляева В.С., Терехов В.В., Старинский С.В. Control of semiconductor surface morphology and wettability via nanosecond laser texturing Журнал "Теплофизика и аэромеханика"., журнал "Теплофизика и Аэромеханика", том 33, 2026 (год публикации - 2026)

8. Васильев М.М., Родионов А.А., Миськив Н.Б., Смирнов Н.И., Старинская Е.М., Гианнакис Т., Кандела М., Бардакас А., Тсамис С., Терехов В.В., Старинский С.В. Effect of micro- and nanostructure of superheated laser-textured silicon on water droplet boiling dynamics Applied Thermal Engineering, Volume 286, P. 129312, © 2025 Published by Elsevier Ltd. (год публикации - 2025)
10.1016/j.applthermaleng.2025.129312

9. Старинская Е.М., Родионов А.А., Сафонов А.И., Суляева В.С., Миськив Н.Б., Старинский С.В. Formation of uniform spatial distribution of Fe3O4 nanoparticles during evaporation of a magnetic nanofluid droplet on a biphilic surface International Journal of Heat and Mass Transfer, №126602, Vol. 239, 2025, © 2024 Elsevier Ltd. (год публикации - 2025)
10.1016/j.ijheatmasstransfer.2024.126602

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведённые исследования показали, что эффективность абляции кремния определяется совместным вкладом гидродинамических и термических процессов, а плазменная экранировка играет ключевую роль в формировании морфологии поверхности. Численные расчёты, учитывающие этот эффект, согласуются с экспериментом: в центре лазерного пятна повышенная плотность плазмы снижает испарение, тогда как на периферии более интенсивная абляция вместе с термокапиллярными потоками способствует росту наклонных структур. Повышение давления фонового газа резко снижает эффективность удаления материала, а при плотности энергии около 2 Дж/см² степень экранировки и эффективность абляции выходят на насыщение. Эксперименты по взаимодействию капель воды с поверхностями, имеющими идентичную микроструктуру в виде массива конических пиков высотой 30 мкм, но разную наноструктуру (BlackSi, BlackSi+HF, BlackSi+ZnO), выявили чёткое разделение их влияния. Микроструктура определяет общий сценарий взаимодействия, приводя на всех текстурированных образцах к образованию направленных струй, тогда как наноструктура управляет смачиванием и термодинамикой фазового перехода. Поверхность только с микрорельефом (BlackSi+HF) показала повышенную температуру Лейденфроста, в то время как супергидрофильные поверхности с наноструктурой (BlackSi и BlackSi+ZnO) продемонстрировали её понижение из-за быстрого капиллярного впитывания и истончения жидкой прослойки. Получены новые данные, показывающие, что изменение инерционных свойств капли (через вариацию числа Вебера) существенно влияет как на характер нарушений жидкой фазы, так и на переход между режимами кипения — от однофазного осаждения до плёночного кипени. Для анализа процессов разработана и верифицирована многофазовая неизотермическая модель на основе метода решеточных уравнений Больцмана, которая хорошо описывает динамику взаимодействия капли с нагретой поверхностью. С её помощью проведено моделирование, подтвердившее качественное согласие с экспериментом и позволившее проанализировать влияние поверхностной энергии (краевого угла) на поля скорости и температуры, определяющие теплообмен.

Публикации