科学家们开发了一种新理论，以解释先进表面上的热传递。该理论对研究人员在开发创新表面方面的工作至关重要，这些表面可用于无电力从空气中收集水等应用。
当德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员测试他们设计的新表面，以快速收集和去除冷凝液时，结果令他们感到惊讶。
机械工程师的设计收集的冷凝液（即由冷凝形成的液体）数量超过了他们基于经典物理模型的预测。
这一发现揭示了现有模型的局限性，并启发研究人员开发一种新理论来解释这一现象，他们在物理科学期刊牛顿上发布的文章中进行了概述。
该理论对研究人员开发创新表面以用于无电力从空气中收集水等应用至关重要。
“这一新理论可以帮助我们更好地设计出能够冷凝水或其他液体的表面，”研究的通讯作者、埃里克·琼森工程与计算机科学学院的机械工程副教授戴先明（Simon Dai）博士说道。
戴开发的表面用于多种应用，包括水收集和制冷。他的目标是开发一种表面，以在连续过程中快速收集和去除冷凝滴。
研究人员的新理论涉及翻滚滴，即在滴状冷凝过程中从表面滚落的小液滴，这一过程是水蒸气在表面上冷凝并形成微小液滴。滴状冷凝对于旨在快速去除冷凝液的表面是有利的，因为液滴会滚落并更快地清理表面，从而为表面收集更多冷凝液腾出空间。
深克·芒加（Deepak Monga）博士（2024年）在戴的实验室工作，他注意到他正在研究的新表面存在一些没有可见液滴的区域。实际上，传统理论并没有考虑这些区域的冷凝。
经过进一步调查，研究人员发现这些区域实际上对冷凝起到了贡献，这与半个世纪前的理论预测相悖。这些液滴在形成过程中非常早，以至于不可见。经典理论没有考虑新表面在收集和去除这些冷凝液时的速度。
“这是关于速度的问题。经典热传递理论没有考虑到我们新表面去除冷凝液的高速率，”论文的首席作者芒加说道。“在新模型中，我们引入了消失频率，以适应高速滚动。”
机械工程助理教授金雅晴（Yaqing Jin）博士领导了实验，通过将时间分辨的粒子图像测速系统与长距离显微镜结合，测量和可视化微小水滴的活动，该系统记录微小液滴内微观颗粒的流动和运动。
“该系统具有非常高的分辨率，使您能够看到小液滴的流动速度和分布，因此我们可以理解这个小液滴是如何在表面上滚动或滑动的，”金博士说道。
芒加利用新理论设计了一个表面，他在美国机械工程师学会2024年夏季热传递会议上展示了该设计，并获得了最佳演讲奖。
该研究得到了国防高级研究项目局年轻教师奖、国家科学基金会教师早期职业发展项目（CAREER）奖和能源部的支持。
论文的其他合著者包括机械工程博士生迪伦·博伊兰（Dylan Boylan）；研究助理达努什·巴米提帕迪（Dhanush Bhamitipadi Suresh）硕士（2021年）、博士（2024年）；约提尔莫伊·萨尔马（Jyotirmoy Sarma）硕士（2018年）、博士（2022年）；以及来自橡树岭国家实验室的彭涛·王博士。
