西北大学的工程师已经确定在水下保持表面干燥所需要的理想表面“粗糙度”。

该小组分析了各种类型的能保持干燥的表面，并确定了其可能的原因。表面的纹理必须有一个理想的“粗糙度”，使它在水中浸没很长一段时间仍保持干燥。该小组观察到表面粗糙度的沟槽必须为纳米级，并且具有小于一微米的宽度。然而，这些纳米级的沟槽可以在宏观上表现出显著影响。

更好的理解是，表面能够有效偏转水的方式，可以使偏转特性在各种工业领域大规模的使用，包括管道涂料和轮船的防污表面。

“关键是要使用正确化学性质和规模的粗糙表面来促进蒸汽形成，这可以利用我们的优势，” 领导了这项研究的理论机械工程师Neelesh A. Patankar说。

“当沟槽小于一微米宽时，水蒸气或气体的泡泡通过水下蒸发或起泡在里面积累起来，就像一滴水无需煮沸而蒸发。这些气泡偏转水从而保持表面干燥，”他说。

该研究小组已经证明并解释了关于在水下保持表面干燥的纳米力学。他们使用各种材料进行了研究，其中一些具有所需的表面粗糙度，另一些没有。该实验为期4个月，在此期间那些具有纳米级粗糙度的样品能一直保持干燥。该团队将其它样品放在恶劣的环境中，他们也保持干燥。在这种恶劣的环境下，周围的液体缺乏溶解的气体。

“这是惊人的也正是我们所希望看到的，”麦考密克工程和应用科学学院的机械工程教授Patankar说。 “我的实验室喜欢挑战正常的经验。在这项工作中，我们寻找操纵我们所知水相位变化的特性。”

一些水生昆虫，包括水黾和水虫，使用了相同的表面粗糙度策略。这些虫子的身体表面具有小毛发。这些毛发之间的间距小于一微米，使得头发之间充满气体。

“这些气体保持昆虫具有与我们预测一致的表面性能，使他们能够很长一段时间保持干燥，”该研究报告的第一作者Paul R. Jones说。他是Patankar研究小组的一个博士学生。

表面的纳米级结构是该研究的重点。这种纳米结构类似于地毯的纹理，是由尖峰状突起之间的山谷形孔组成的。当表面被浸没在水中，水试图黏住微小的长钉状凸起，并且空气和水蒸汽积聚在谷形孔之间。空腔中被困的水蒸汽和空气结合起来形成一个防止湿气渗入表面的气态层。

 “当我们在显微镜下观察粗糙表面时，我们可以清楚地看到空的沟壑 - 起保护作用的水蒸汽所在地，”Patankar说。

到现在为止，研究人员还未能防止水蒸汽在细孔内发生冷凝，这会将表面弄湿。然而，团队已经发现了防止这个过程发生的分子键。它们表明，当沟壑具有小于一微米的宽度时，他们具有容纳收集的气态蒸汽和空气的能力。这增加了密封件的强度，并防止湿润。

该题为“在水下维持干燥的表面”的研究论文，已发表在杂志“科学报告”上。

瑞士联邦理工学院、麻省理工学院、技术伊利诺伊大学芝加哥分校、丹麦大学和亚利桑那州立大学的研究人员也参与了研究。

这项研究是由西北（ISEN）的可持续发展和能源创新支持的。

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶    校正：摩天轮