과학자는 모든 것을 제안합니다

2023년 8월 28일

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국제 익스트림 제조 저널(International Journal of Extreme Manufacturing)

Dalian University of Technology의 과학자들은 기존의 에너지 투입 없이 제빙 및 제상 효율을 충분히 향상시킬 수 있는 구리 나노와이어 어셈블리 설계를 제안합니다. 특히, 해동 효능은 100%에 가까워 보고된 연구에 비해 사상 최고치를 기록했습니다.

International Journal of Extreme Manufacturing에 발표된 이 연구는 제어된 패턴, 계층 및 크기를 갖춘 나노와이어 어셈블리를 제조하는 간단한 전기화학적 방법을 보여줍니다. 이를 통해 기존 표면에서는 불가능했던 광열, 열 전도성 및 초소수성 특성을 동시에 표현할 수 있습니다.

광열 특성은 효율적인 햇빛 흡수를 보장하고, 열전도 특성은 햇빛 흡수 후 빠른 측면 열 전도를 부여하는 반면, 초소수성 특성은 표면에서 녹을 때 얼음/서리가 미끄러지거나 굴러가는 것을 촉진하며, 이전보다 더 높은 제상을 제공합니다. 보고되었습니다.

얼음과 서리 축적은 나노 규모 세포의 극저온 동결부터 대규모 항공기 비행에 이르기까지 다양한 분야에서 지속적으로 중요한 문제를 제기합니다.

"기존의 제빙/성에 제거 솔루션은 주로 기계적, 열적, 화학적 접근 방식에 의존하지만 모두 에너지 집약적이고 노동 집약적이며 환경 친화적이지 않습니다. 또한 이러한 적극적인 접근 방식 중 일부는 산업체와 직접 접촉해야 했습니다. 재료 표면은 민감한 코팅에 위험을 초래합니다. 표면 기능을 손상시키지 않으면서 에너지 절약 및 친환경 제빙/해동을 달성하기 위해 대부분의 노력은 표면 수정을 통한 수동적 접근 방식으로 전환되었습니다."라고 논문의 제1저자인 Siyan Yang이 말했습니다. 현재 홍콩 폴리테크닉 대학교(Hong Kong Polytechnic University)에서 박사후 연구원으로 일하고 있습니다.

최근 관심은 지구에 풍부한 녹색 에너지원인 햇빛에 의해 가열될 수 있는 초소수성을 지닌 광열 표면에 집중되었습니다. 그러나 대부분의 표면은 낮은 열 전도성으로 인해 국부적으로 가열되고 고르지 않게 가열되는 문제가 있습니다. 따라서 이러한 표면 특성을 열전도성 재료, 특히 금속과 함께 추가로 조립하면 제빙 및 성에 제거에 대한 큰 잠재력이 있지만 아직까지 미개척 분야로 남아 있습니다.

"위의 문제를 해결하기 위해 우리는 제어 가능한 구리 나노와이어 어셈블리를 생산하기 위한 손쉬운 제조 접근법을 개발했습니다. 우리는 어셈블리의 형태, 높이 및 규모가 전기화학적 매개변수를 조정하여 잘 조정될 수 있다는 것을 발견했습니다. 습윤성 및 광열 테스트를 통해 우리는 다음을 발견했습니다. 대부분의 나노와이어 어셈블리는 햇빛 흡수율이 95%보다 큰 초소수성으로 처리될 수 있습니다. 구리 재료의 높은 전도성으로 인해 나노와이어 어셈블리, 특히 직립형 나노와이어와 평균 마이크로그루브 폭이 2~3μm인 디자인 , 우수한 제빙 및 제상 성능을 가능하게 합니다.”라고 논문의 첫 번째 공동 저자인 Qixun Li(현재 Dalian University of Technology에서 박사 과정 학생)가 말했습니다.

이 혁신적인 디자인은 단지 초소수성, 광열 효과 또는 이들의 조합을 통해 다른 3개의 나노 구조 표면보다 전체 성에 제거 시간을 2~3배 단축할 수 있습니다. 놀랍게도 이 디자인은 이전 제품에 비해 가장 높은 제상 효율(~100%)을 달성했습니다.

"원칙적으로 쉬운 제조, 높은 제어 가능성 및 형태의 다양성을 주입한 나노와이어 어셈블리의 설계는 전통적인 에너지 입력이 필요 없는 광범위한 제빙 및 제상 응용 분야에서 유망합니다. 그러나 내구성, 확장성 및 화학적 특성은 나노와이어 집합체의 안정성은 복잡한 작업 조건을 포함하는 실제 응용 분야에서 제한적이므로 제조 효율성, 재료 규모 및 표면 내구성을 향상시키기 위해 보다 일반적인 마이크로/나노 재료 처리 방법을 개발할 필요가 있습니다. 그럼에도 불구하고 이 연구의 설계 개념은 다음과 같습니다. 특히 전력 부족에 직면한 추운 지역에서 미래 연구 활동을 위한 나침반 역할을 합니다."라고 다롄 공과대학의 화학 공학 교수이자 해당 연구의 교신 저자인 Xuehu Ma는 말했습니다.