Листок тютюну, уражений мозаїчною хворобою.
Міріади вірусів, що інфікують листя тютюну на плантаціях, можуть допомогти зробити електростанції безпечнішими, опалення та охолодження будинків ефективнішим, а електроприлади потужнішими. Ці крихітні протеїнові пакунки, які колись були загрозою для товарної культури новопосталих Сполучених Штатів Америки у 1800-х роках, зараз допомагають дослідникам на кшталт Метью Мак-Карті, доктора філософії з університету Дрекселя, краще розуміти та вдосконалювати процеси кипіння та конденсації.
Віріони ВТМ використовуються у якості шаблону для побудови наноструктур з нікелевим покриттям, котрі стимулюють процес кипіння.
Дослідження Мак-Карті фокусується на передачі теплоти під час зміни фази – кипінні, випаровуванні та конденсації рідин. Ці процеси, які є поширеними в природі, стали також невід’ємною частиною технологій, котрі забезпечують розвиток нашого суспільства. Парові турбіни генерують електричну енергію на величезних електростанціях, які живлять струмом міста. Кип’ятіння води є перевіреним часом методом очищення, який і досі використовується при водопостачанні. А процеси нагрівання та охолодження властиві системам кліматичного контролю у приміщеннях, котрі використовуються повсякденно. Якщо робота Мак-Карті змогла б хоч трошки підвищити ефективність передачі теплоти під час зміни фаз, то її вплив був би величезним.
“Навіть незначні вдосконалення технологій, які використовуються так широко, можуть мати значні наслідки”, – говорить Мак-Карті. “Передача теплоти під час зміни фаз відіграє важливу роль у всьому, від виробництва енергії до очищення води, опалення, вентиляції, кондиціонування та охолодження електроприладів. Зростання продуктивності цих систем призведе до значних удосконалень у тому, яким чином ми виробляємо, споживаємо та зберігаємо наші енергетичні та водні ресурси”.
Краще кипіння?
Для вдосконалення того, що природа робить від початку часів і люди використовують тисячоліттями, Мак-Карті звертає увагу не на рідину чи джерело теплоти, а на поверхню, яка пов’язує їх.
У своїй лабораторії (Multiscale Thermofluidics Lab), Мак-Карті та його команда конструюють, вивчають та випробовують поверхні, котрі щоразу краще контролюють формування та видалення бульбашок пари під час процесу кипіння, одночасно затримуючи початок небажаної умови, яку інженери називають “критичним тепловим потоком”.
“Критичний потік теплоти, значною мірою, зумовлюється поверхнею під час кипіння, де утворення пари не може бути збалансованим поповненням рідини”, – говорить Мак-Карті. “Результатом є неконтрольоване і часто небезпечне підвищення температури поверхні. Цей недолік може призвести до простого руйнування електронних компонентів, чи систем охолодження на електростанціях, або катастрофічного розплавлення ядерного реактору”.
Коли рідина досягає критичного потоку теплоти, тонкий прошарок пари вкриває поверхні теплообміну. Ця пара ізолює рідину від джерела тепла і значно знижує здатність поверхні до розсіювання теплоти у рідині. Це зумовлює “вигорання”, що означає небезпечне і дуже швидке зростання температури поверхні. Після настання ефектів критичного потоку теплоти та вигорання, надзвичайно важко повторно зволожити поверхню та зменшити її температуру.
Мета Мак-Карті полягає у створенні наноструктурних покриттів для поверхонь теплообміну, здатних запобігти первинному формуванню парових бар’єрів чи відтермінувати його. Ідеальна структура для підвищення передачі теплоти під час кипіння, згідно з Мак-Карті, має притягувати рідину та знову швидко зволожуватися, коли вода перетворюється на пару.
Поверхня кипіння “DRI-FIT”
(“DRI-FIT” – це назва синтетичного матеріалу нового покоління, який не всмоктує вологу, а пропускає її крізь свою структуру та виводить на поверхню, змушуючи миттєво випаровуватися; використовується для виробництва спортивного одягу).
“Єдиний спосіб відтермінувати явище критичного потоку теплоти полягає у тому, щоб тримати поверхню вологою при все вищих і вищих потоках теплоти”, – говорить Мак-Карті.
Зображення, отримане за допомогою скануючого електронного мікроскопу, що показує покриття, товщиною в 1 мкм, на силіконовому субстраті.
Для того, щоб тримати поверхню вологою під час кипіння, Мак-Карті та його команда використовують технологію, яка частіше застосовується для того, щоб атлети були сухими. Капілярний ефект є тим секретом, що забезпечує високу ефективність спеціального одягу, відтягуючи вологу від тіла. Цей матеріал, який дозволяє людям відчувати прохолоду під час роботи чи тепло взимку, може також тримати поверхні вологими під час кипіння – таким чином протидіючи критичному потоку теплоти.
Для виготовлення капілярного, чи гідрофільного, матеріалу стратегічно важливо збільшити площу його поверхні для всотування рідини, щоб вона текла до місця з нижчою щільністю. Губки роблять це завдяки своїм порам та повітряним кишеням. Команда ж Мак-Карті створює власну супергідрофільну поверхню вкриваючи її тисячами наноструктурних завиток чи вусиків. Саме для цього й потрібні віруси.
Вірусні будівельні блоки
Вірус тютюнової мозаїки – це простий вірус, що складається з однієї нитки РНК, оточеної тисячами протомерів капсиду. Це був перший ідентифікований вірус, у 1930, і один з найбільш вивчених – ймовірно тому, що уражував важливу товарну культуру на початку минулого сторіччя. Сьогодні шкідники займають нову нішу: самозбірки каркасу для будівництва наноструктур.
Мак-Карті займається вивченням віріонів тютюнової мозаїки з часів свого постдокторського дослідження в університеті Меріленду, коли його лабораторія використовувала їх для вивчення наноструктурованих електродів батареї. Зараз він підтримує власний генетично модифікований штам вірусу тютюнової мозаїки у своїй лабораторії.
“Генетична мутація уводить місця хімічного зв’язування – на кшталт молекулярних гачків – на зовнішню поверхню віріонів, що дозволяє їм прикріплюватися фактично до будь-якого субстрату, який ми хочемо використати”, – розповідає Мак-Карті. “Серед них нержавіюча сталь, алюміній, мідь, золото, силікон та розмаїття різних полімерів. Завдяки цьому ми маємо змогу проводити досить широкі тестування матеріалів, котрі вже використовуються на електростанціях та станціях водопостачання”.
Для випробування поверхні, Мак-Карті виливає розчин, що містить мільярди вірусів, на обраний ним субстрат. Паличкоподібні віруси прикріплюються до поверхні, формуючи щетинистий шар наноструктур. Мікроскопічний ліс потім вкривається товстою оболонкою металу, який жорстко фіксує наноструктури.
Зображення, отримане за допомогою скануючого електронного мікроскопа, що показує наноструктури, утворені на вірусному каркасі (праворуч). Ліворуч схематично зображено окремий “вусик” у розрізі: ВТМ намальовано зеленим кольором, прошарок паладію – пурпуровим, а нікелеву оболонку – помаранчевим.
Після такого покриття, віруси стають інертними. Що лишається від них, так це покриття з рівномірно розподілених вусиків – “металічна трава”, як Мак-Карті називає її. Ця “трава” зумовлює капілярний ефект, котрий дозволяє покриттю переміщувати рідини вздовж себе та тримати їх у контакті з поверхнею теплопередачі.
“Це цілком ефективна технологія для біологічно шаблонових наноструктур”, – говорить Мак-Карті. “Вона не потребує електроенергії, теплоти чи спеціального обладнання – просто серія розчинів при кімнатній температурі. Після завершення процесу покриття, відтепер інертні віруси повністю покриті, внаслідок конформного покриття утворюються металічні наноструктури з великою площею поверхні”.
Тестування води
За допомогою вірусного шаблону, лабораторія Мак-Карті може продукувати тестові поверхні з наноструктурним покриттям будь-яких форм та розмірів буквально протягом лічених годин. Одна “партія” вірусів тютюнової мозаїки Мак-Карті може швидко покрити поверхню та перетворити її на ліс вусиків, які є досконалими для капілярного переміщення води.
“Наноструктури які ми будуємо використовуючи ВТМ діють у якості стабілізаторів процесу кипіння при високотемпературних теплопередачах”, – говорить Мак-Карті. “Ці покриття, фактично, діють як губка, коли бульбашки пари формуються на поверхні, вони переміщують рідину завдяки капілярним силам, що призводить до відтермінування феномену пересихання, асоційованого з критичним потоком теплоти. Результатом є більш ніж триразове підвищення порогу настання ефекту критичного потоку теплоти, а це дозволяє безпечну роботу при все вищих і вищих температурах теплопередачі”.
Ієрархічні структури, що складаються з утворених на основі вірусного каркасу наноструктур, які конформно покривають силіконові мікроструктури.
В рамках гранту, виділеного для дослідження Національним Науковим Фондом CAREER, команда Мак-Карті буде вивчати десятки різних конфігурацій поверхонь, з варіаціями відстаней між наноструктурами, загальної форми та металічного покриття.
“Наша лабораторія має унікальну можливість швидко конструювати та виготовляти структуровані поверхні, завдяки нашій технології з використанням ВТМ”, – розповідає Мак-Карті. “Ми можемо також створювати поверхні, котрі надзвичайно важко, якщо взагалі можливо, створити використовуючи інші методи, такі як конформне покриття комплексу мікроструктурованих поверхонь та відкладання наноструктур на низькотемпературні матеріали. Завдяки тому, що ми можемо робити це дешево та відносно швидко, ми можемо тестувати численні поверхні та робити наукові висновки, спираючись на велику базу даних”.
Збільшене зображення конформних нікелевих наноструктур на силіконовій опорній бічній стінці.
Попередні результати є досить багатообіцяючими. Поверхні з посиленим капілярним ефектом показали підвищення порогу настання ефекту критичного потоку теплоти на 240%, що означає понад триразове підвищення максимуму температурного рівня теплопередачі, який досягався раніше з використанням непокритих поверхонь при кипінні. Покриття з “металічної трави” також зумовлює потроєння ефективності процесу кипіння. Так, якщо дві ємності з водою – одна з наноструктурним покриттям, а друга без нього – нагріваються до однакової температури, то ємність з наноструктурним покриттям продукує вдвічі більше водяної пари, ніж ємність без такого покриття.
“На додаток до вивчення фундаментальних механізмів теплопередачі під час кипіння та його стимулювання, ця технологія може бути застосованою у нових конструкціях теплообміну та високоефективних системах температурного менеджменту майбутнього”, – говорить Мак-Карті. “Вона також може бути використана для модернізації наявних систем за допомогою самозбірних вірусних наноструктур – що може стати фінансово економним шляхом для покращення їхньої ефективності”.
І, як зазначає Мак-Карті, незначне покращення ефективності того, що широко використовується, має далекосяжні наслідки.
Джерело: Drexel
Переклад з англійської: Юрій Косенко
