研究人员使用少量电荷控制开水的气泡

研究人员发现，只需切换施加在金属上的电压极性，就可以制造金属截面来促进起泡（边缘处的两个矩形）或抑制起泡（中心矩形）。

麻省理工学院的科学家们首次发现了一种控制沸腾过程的方法。该系统可以提高发电和其他过程的效率。

沸腾的水随着水沸腾而从表面冒出气泡，这对于大多数发电厂，加热和冷却系统以及海水淡化厂来说都是至关重要的。现在，麻省理工学院的研究人员首次找到了一种控制该过程的方法，实际上是通过轻按一下电气开关即可实现的。

机械系统系教授Evelyn Wang教授，研究生Jeremy Cho和最近毕业的Jordan Jordan Mizerak ’14在一篇论文中对这种系统进行了描述，该系统可以提高发电和其他过程的效率。

Wang说，尽管工业过程中普遍存在沸腾，但至今尚未证明这种与温度无关的对沸腾过程的控制程度。已经开发出其他系统来使用电场控制沸腾，但是这些系统需要特殊的流体而不是水，并且需要高一千倍的电压，这使得它们对于大多数用途在经济上是不切实际的。

新的壮举是通过向水中添加表面活性剂来完成的-本质上是产生肥皂液。通过改变施加到金属上的电压的极性，带电荷的表面活性剂分子可以被金属表面吸引或排斥。Wang解释说，这使金属表面在亲水和疏水之间切换。

添加表面活性剂使表面变得更疏水，这增加了成核速率以形成气泡。但是，反转表面上的电荷会使表面变得亲水，并抑制气泡的形成。研究人员发现，仅通过切换电荷，就可以将气泡形成速率提高十倍。

正如凝结（例如形成雨滴）需要像灰尘颗粒一样的“种子”来开始成核过程，由沸水形成的气泡也需要成核。金属表面上的微小不规则处可提供那些成核点，但如果表面是亲水性的，则气泡的形成会受到抑制。

Cho说：“整个概念依赖于这样一个事实，即表面是疏水的还是亲水的都会影响成核速率。”“如果是亲水性的，则很难使气泡成核。”因此，通过切换极性，可以精确地控制起泡速度。

与依赖于在表面上创建精确种类的纳米级纹理的其他修改金属表面可湿性的方法不同，该系统利用了金属表面上自然存在的微小不规则性，不需要进行特殊处理。

能够主动控制气泡形成的速度，进而可以控制金属和液体之间的热传递速度。由于当前的设计需要相当大的安全裕度，以避免可能严重损坏设备的热点，因此，这可能使制造电站或其他应用的高效锅炉成为可能。尽管大多数此类发电厂大多数时候都以稳定的速率运行，但是在从满功率开始上升或下降时，能够动态控制传热速率可以提高效率，从而使实时调整发电更加容易。输出而不会损失效率。同样，通过控制起泡速度以防止热点过热，也可以使高性能电子产品的液体冷却效率更高。

Cho补充说，该系统提供了“根据需要选择最佳传热特性的能力”，而不必选择单一类型的成核行为，从而可以保证有史以来预期的最极端的加热余量。给定的设备。他说：“这使您可以随时选择最佳的传热速率。”他说：“拥有能够响应快速变化的锅炉”可以为电网提供额外的灵活性。“它为您提供了额外的旋钮”来控制系统。

王说，这项工作表明“您可以积极改变成核速率。以前没有证明这是可能的。”

乔说，发电厂的运营商对于做出改变绝对是保守的，因为人们依赖于他们的产出，因此即使该系统只需要相对较小的改变，就需要一个示范工厂来在运营规模上证明这一概念。但他说，“我认为建立这样的示威活动没有任何巨大的障碍”。Wang说：“从理论上讲，这应该很容易，”尽管只有运行一个完整的系统，才有可能证明其收益超过了安装成本。

罗彻斯特理工学院机械工程学教授萨蒂什·坎德里卡（Satish Kandlikar）说，王的团队“已经显示出一种控制沸腾现象的新方法，”他没有参与这项研究。这种控制策略将极大地改变许多应用中的传热模式，尤其是在电子冷却行业中，以冷却热点。这种策略可以通过使用新技术的简单电气控制得到有效应用。

该研究得到了新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟和国家科学基金会的支持。

出版物：H. Jeremy Cho，Jordan P. Mizerak和Evelyn N. Wang，“使用带电表面活性剂在沸腾过程中打开和关闭气泡”，《自然通讯》第6期，文章编号：8599; doi：10.1038 / ncomms9599