高い解凍効率を実現する銅ナノワイヤー集合体の表面設計

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記録しています。

発表された研究 International Journal of Extreme Manufacturing の論文では、パターン、階層、サイズが制御されたナノワイヤ アセンブリを製造する簡単な電気化学的方法が示されています。 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、超疎水性により氷/霜が表面から溶け出す際に滑りや転がりが促進され、これまでに報告されているものよりも高い霜取り効果が得られます。

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、そのいずれもエネルギー、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中には、材料表面に直接接触する必要があるものもあり、繊細なコーティングにリスクをもたらしました。 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・除霜を実現するために、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、論文の筆頭著者で現在は香港大学の博士研究員であるシヤン・ヤンテ氏は述べた。工科大学。

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アセンブリを製造するための容易な製造アプローチを開発しています。 電気化学パラメータを調整することで、アセンブリの形態、高さ、スケールを適切に調整できることがわかりました。 湿潤性と光熱試験を通じて、ほとんどのナノワイヤ集合体を超疎水性に処理でき、太陽光の吸収率が 95% を超えることがわかりました。 銅材料は導電率が高いため、ナノワイヤアセンブリ、特に直立したナノワイヤと平均2～3μmの微細溝幅を備えた設計は、優れた除氷および霜取り性能を可能にします」とQixun Li氏（博士課程の学生、現在大連大学在学中）は述べた。テクノロジーの博士）、論文の最初の共著者。

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 つのナノ構造表面に比べて全体の解凍時間を 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 パーセント) 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。