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光滑的表面如何使粘性糊状物和凝胶滑动

发布时间:2019-05-16 16:24:35 来源:

麻省理工学院的研究团队已经克服了从瓶子中取出番茄酱的问题,现在已经解决了一个新的消费者和制造业的问题:如何使更厚的材料滑动而不会粘连或变形。

团队开发的光滑涂料,称为液体浸渍表面,可以具有许多优点,包括消除由于粘附在加工设备内部的材料而导致的生产浪费。它们还可以提高从面包到药品的产品质量,甚至提高液流电池的效率,这是一种快速发展的技术,可以通过为发电提供廉价的存储来帮助培养可再生能源。

这些表面基于最初开发的原则,用于帮助食品,化妆品和其他粘性液体从容器中滑出,如麻省理工学院机械工程教授Kripa Varanasi和前学生Leonid Rapoport博士18和Brian Solomon所设计的那样。博士'16。这项新工作在ACS Applied Materials and Interfaces期刊中有所描述。

与他们开发的早期表面一样,这导致了一个名为LiquiGlide的衍生公司的创建,新表面基于特殊纹理表面和液体润滑剂的组合,涂层表面并通过毛细作用保持在适当位置。与这种界面相关的分子间力。这篇新论文解释了这些凝胶状流体可以实现几乎100%摩擦减少的基本设计原则。

需要挤压

这种被称为屈服应力流体的材料,包括凝胶和糊剂,是普遍存在的。它们可以在食品,调味品和化妆品等消费品中以及能源和制药行业的产品中找到。与其他流体(如水和油)不同,这些材料即使在容器倒置时也不会自行开始流动。启动流动需要输入能量,例如挤压容器。

但这种挤压有其自身的影响。例如,面包制作机械通常包括刮刀,其不断地将粘性面团从其容器的侧面推开,但是不断刮擦会导致过度揉捏和更密集的面包。瓦拉纳西说,一个不需要刮擦的光滑容器可以生产出味道更好的面包。通过使用这个系统,“除了从容器中取出所有东西之外,您现在可以添加更高质量”的产品。

他说,在面包方面,这可能并不重要,但它可能会对药品产生巨大影响。使用机械刮刀通过混合罐和管道推进药物材料会干扰药物的有效性,因为所涉及的剪切力会损害药物中的蛋白质和其他活性化合物。

通过使用新涂层,在某些情况下,可以使材料经受的阻力减少100% - 相当于“无限滑动”,瓦拉纳西说。

“一般而言,表面是促成因素,”Rapoport说。“例如,超疏水表面可以使水容易滚动,但并非所有流体都能滚动。我们的表面使流体能够以更适合它们的方式移动 - 无论是滚动还是滑动。此外我们发现了屈服应力流体可以在我们的表面上移动而不会剪切,基本上像固体一样滑动。当你想要在加工时保持这些材料的完整性时,这是非常重要的。“

就像Varanasi和他的合作者创造的早期版本的光滑表面一样,新工艺开始于制作纳米级纹理的表面,或者通过在表面上蚀刻一系列紧密间隔的柱子或壁,或者机械研磨凹槽或凹坑。由此产生的纹理被设计成具有毛细管作用的微小特征 - 允许树木通过树皮下方的微小开口将水吸到其最高分支的相同过程 - 可以起到保持液体的作用,例如润滑油,在表面上的位置。结果,具有这种衬里的容器内的任何材料基本上仅与润滑液接触,并且直接滑动而不是粘附到固体容器壁上。

本文中描述的新工作详细介绍了研究人员提出的原则,以便通过其特定的材料组合,为任何特定应用选择表面纹理,润滑材料和制造工艺。

帮助电池流动

新涂料的另一个重要应用是快速发展的技术,称为液流电池。在这些电池中,固体电极被悬浮在液体中的微小颗粒的浆料代替,其优点在于可以通过添加更大的罐来随时增加电池的容量。但是这种电池的效率会受到流速的限制。

使用新的光滑涂层可以显着提高这种电池的整体效率,瓦拉纳西与麻省理工学院的教授Gareth McKinley和Yet-Ming Chiang一起开发了由所罗门和陈卫实验室前博士后陈伟伟领导的系统。

这些涂料可以解决电池设计者所面临的难题,因为他们需要在浆料中添加碳以改善其导电性,但碳也使浆料更厚并干扰其运动,导致“流动电池”无法流动,“瓦拉纳西说。

“先前的液流电池需要权衡,因为随着你添加更多的碳颗粒,浆料变得更具导电性,但它也变得更厚,更难以流动,”所罗门说。“使用光滑的表面可以让我们通过允许流动厚厚的屈服应力浆料来实现两全其美。”

与使用传统表面相比,改进的系统允许使用流动电极配方,使容量增加四倍,机械功率节省86%。最近在ACS Applied Energy Materials期刊中描述了这些结果。

“除了制造包含光滑表面的液流电池装置外,我们还为其电化学,化学和热力学稳定性制定了设计标准,”Solomon解释说。“用于液流电池的工程表面开辟了一个全新的应用分支,可以帮助满足未来的能源存储需求。”

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