Virus gefertigte Nano-Metallschwämme Boost Kochen

Britt Faulstick, Engineering und Technologie-Nachrichten-Offizier an der Drexel University, trug dieses Artikels Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Drei Regale voll von grünen, grünen, Tabakpflanzen nehmen ihren Platz unter der wachsenden Lichter neben Mikroskopen, Abzüge und Wärmeübertragung Experimente im Labor des Matthew McCarthy.

Im Gegensatz zu den meisten Tabakbauern McCarthy nicht besorgt um die Gesundheit seiner Pflanzen – in der Tat, er ist tatsächlich Schritte um sicherzustellen, sie werden krank. McCarthy wächst den Tabak zur Ernte der Pflanzen Viren, winzige Nanomaschinen, die perfekte Vorlagen für die Herstellung von schnell nanostrukturierte Beschichtungen sind. [Nanoskaligen Super-Schwämme steigern kochendem (Galerie)]

"Mosaik-Viren" als Maschinen

Zugegeben, als Maschinenbau-Professor an der Drexel University College of Engineering, McCarthy nicht viel von einen grünen Daumen, aber nur ein paar Dutzend Pflanzen erbringt Billionen von Tabak-Mosaik-Viren – und das ist was er wirklich nach. McCarthy es Talent liegt im Umgang mit den winzigen Protein-Bundles Nanostrukturen zu konstruieren, die die Eigenschaften der Oberflächen ändern können, die sie zugeordnet sind.

Tabak-Mosaik-Virus war eines der ersten Viren jeglicher Art, zu identifizieren und umfassend untersucht, da in einigen Teilen, die Verwüstung, die sie an der Wende des letzten Jahrhunderts verursacht. McCarthys Microscale Thermofluidics Labor haben die Viren eine vorteilhaftere Nische als selbst Montage Gerüst für Nano-Bau gefunden.

McCarthy und seine Promotion Assistent Md Mahamudur Rahman haben Viren um Klammern sich an einer Vielzahl von Oberflächen entwickelt – aus Edelstahl, Gold, und fast jede Kombination dazwischen. Sie näherte sich der US National Science Foundation mit einem Vorschlag, diese Oberflächen besser zu machen, in kochendem Wasser, und die Finanzierung jetzt produzieren Strukturen, die genau das tun.

Es ist nicht so einfach wie kochendes Wasser

Phase Change Wärmeübertragung, die technische Moniker für kochendes Wasser, ist in fast allen Branchen allgegenwärtig. Es spielt eine entscheidende Rolle in der Stromerzeugung, chemische Verfahrenstechnik, Wasseraufbereitung und HLK-Anlagen in Wohn- und Geschäftshäusern – um nur einige Anwendungen zu nennen. So konnte schon bescheidene Verbesserungen an den Phasenwechsel Hitze-Transfer-Prozess übersetzen, um Energie und Kosteneinsparungen in großem Maßstab.

Wenn McCarthys Arbeit eines Tages in Dampf-produzierenden Kraftwerken einsetzen, hat es das Potenzial, verbessern nicht nur ihre Effizienz, sondern auch die maximale Temperatur, bei der sie sicher operieren können – damit sie mehr Energie produzieren. [Dampf Maschine abwechselnd Poop in sauberes Trinkwasser]

Verbesserte kochende Verzögerungen, die das Auftreten von unerwünschten Zustand Ingenieure nennen kritische erhitzen Flussmittel (CHF). Dies ist im Wesentlichen das Scheitern der Oberfläche während des Kochens. Tritt CHF, die Produktion von Dampf kann nicht durch Auffüllen der Flüssigkeit ausgeglichen werden, und das ist der erste Schritt in eine gefährliche Entwicklung, die die Zerstörung elektronischer Bauteile oder sogar die katastrophale Kernschmelze eines Kernreaktors verursachen können.

"Eine Route, die Art und Weise zu verbessern, die eine Oberfläche während des Kochens Wärme überträgt, zu kontrollieren, wie hydrophile es", sagte Rahman. Hydrophile Oberflächen sind besonders effektiv bei der Gewinnung von Wasser. "Eine Oberfläche kann mit einer höheren Rate Dampf ist in der Lage, schnell selbst während des Kochens rewet. Dies ermöglicht schnelle Kochen sicher zu höheren Wärmestromes auftreten."

Wasser gegen die Hitze

Die Wissenschaft hinter McCarthys Arbeit ist die gleiche, die die Gestaltung von Hochleistungs-Sportbekleidung und thermische Getriebe antreibt: haarartige Tätigkeit. Um den Träger zu halten trocken, Mikrofaser-Material leitet Schweiß vom Körper weg indem er es in die kleinen Zwischenräume zwischen seine gewebten Fasern. Die Viren erstellt McCarthy eine Beschichtung von porösen metallischen Strukturen, die Wasser ziehen nach unten in die Räume zwischen ihnen, die die Wassermoleküle in Kontakt mit der kochenden Oberfläche hält.

"Das ist bewährte Wissenschaft, es ist der gleiche Grund, den Pinsel in Farbe zieht oder ein trockener Schwamm saugt Wasser." McCarthy sagte. "Wir haben nur herausgefunden, wie man ein Stück Metall oder ein zusammengesetztes Material in etwas mehr schwammartige über eine extrem dünne Oberflächenbeschichtung zu verwandeln."

Die Forscher gebaut jedes Virus mit einem chemischen Bindungsstelle an der Spitze seiner Protein-Kette. Dadurch können die Viren auf so ziemlich jeder metallischen Oberfläche befestigen, die sie kontaktieren. Jedes Virus hat eine geringe elektrostatische Aufladung, so dass es auf eine Oberfläche, die es auch drängt sich vom umgebenden Viren, verbindlich ist, wie die Strukturen in der Lage sind, selbst in relativ vertikalen Positionen zu organisieren. Diese Ausrichtung ist wichtig, denn es schafft einen Raum zwischen der Spitze jeder Virus-Struktur und die kochende Oberfläche, in der Wasser gezogen werden kann.

Gebäude-Virus-Blätter

Virale Biotemplating ist der Prozess der Verwendung von Viren als Gerüst für die Herstellung von Nanostrukturen. Es ist ein Werkzeug, das McCarthy gelernt, als Post-Doktorand an der University of Maryland, er mit Reza Ghodssi und James Culver arbeitete, Tabak-Mosaik-Viren zur Verbesserung der Leistung von Mikro-Akkus zu verwenden.

Mit ähnlichen Techniken, Beschichten McCarthy Labor vollste Oberflächen einfach durch Untertauchen sie in einer viralen Lösung für 12 bis 24 Stunden, das grasartige Substrat Wurzeln schlagen zu lassen. Dann, Mantel die Forscher die Viren mit Palladium und Nickel, um die tatsächliche Nanostruktur bilden, die den Feuchtigkeitstransport. Der gesamte Prozess kann bei Raumtemperatur in ein wenig mehr als einen Tag abgeschlossen werden macht es schnell und einfach auf eine Vielzahl von Oberflächen zu wiederholen.

"Als Maschinenbauer Fluidik zu studieren, ist es sehr hilfreich, um eine Reihe von verschiedenen Proben zu studieren, haben" sagte McCarthy. "Wir können besser verstehen, die Art der Phasenwechsel Wärmeübertragung durch beobachten und vergleichen das Verhalten auf Flächen unterschiedlicher Zusammensetzung und Form."

Neben Beschichtung verschiedenen metallischen Oberflächen mit der Virus-templated Nanostrukturen entwirft die Gruppe Oberflächen mit besonderen Formen, die Kontrolle die Bildung von Dampf helfen könnte während des Kochens sprudelt.

"Im Moment wir speziell die Grundlagen der kochende Wärmeübertragung und deren Erweiterung, aber diese Technologie untersuchen, eines Tages auf Wärmetauscher Neukonstruktionen und Hochleistungs-Thermo-Management-Systeme der Zukunft angewendet werden könnte," sagte McCarthy. "Es könnte auch zur Nachrüstung von bestehenden Wärme-Exchange-Systeme mit selbst-zusammengebauten virale Nanostrukturen – das könnte sich als eine kostengünstige Möglichkeit, ihre Effizienz zu verbessern."

Als McCarthy es Forschung bewegt sich vorwärts, erkennt das Team die beste Kombination von Oberflächen-Design, Materialien und Nanostruktur Beschichtung, die möglichst effiziente Wärmeübertragung zu produzieren. Erste Ergebnisse sind bereits sehr vielversprechend. Die Super-wicking Oberflächen haben gezeigt, eine Verdreifachung der Effizienz des kochenden Prozesses und eine 240-prozentigen Anstieg maximale Wärmeübertragung bei der kritischen Wärmestromdichte auftritt.

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