Bilgisayar chip’lerinden güç santrallerine kadar her alanda yüzey dokusunun analizi ile ısı transfer özelliği arttırılabilir.
Soğutma sistemlerinde faz değiştiren sıvıların kullanılması (örneğin yüzeyde kaynayan su gibi) gelişmekte olan pek çok teknolojide önemli bir rol oynayabilir. Ancak bu sistemlerin çalışma şekilleri ve ne tip yüzeylerin ısı transferini arttırdığı cevaplanamayan sorular olarak kalmıştı.
MIT’de araştırmacılar, yüzeyin mikro boyutta pürüzlendirilmesiyle ısı transferinin ciddi boyutta arttığını ortaya koydular. Çalışma, yüksek lisans öğrencisi Kuang-Han Chu, postdoc Ryan Enright ve Evelyn Wang tarafından Temmuz 2012 içinde Journal of Applied Physics Letters’da basıldı.
Soğutma pek çok alanda problem teşkil edebiliyor. Özellikle de elektronikte. Wang’ın açıklamasına göre” soğutma amacıyla faz değişim sıvılarının kullanılması onlarca yıldır bir araştırma konusu”. Ancak farklı maddelerin ne şekilde ısı transfer ettikleri ve yüzey kalitesinin bu konuya etkisi çok iyi anlaşılamamıştı. Faz değişim sürecinin komplike olmasından dolayı ancak mikro teknoloji ve nano teknolojideki gelişmelerden sonra bu süreci amaca uygun kullanabiliyoruz.
Yüzeydeki pürüzlendirme kılcal etki yaratıyor. Buhar kabarcıkları ısı transfer edilecek yüzeyde bir çizgi üstünde tutuluyor ve soğutma sürecini zayıflatan buhar katmanının oluşmasını geciktiriyor. Araştırmada soğutma sıvısı olarak su kullanılmış, ancak bu teknik, başka soğutma sıvıları üzerinde de uygulanabilir.
Test amacıyla araştırmacılar posta pulu boyutunda yüzey pürüzlülükleri değişen silikon plakalar hazırlamışlar. Karşılaştırma amacıyla da tamamen düzgün yüzeyli plakalar kullanmışlar. Yüzey pürüzlülük ölçümü için yüzey alanının sıvı ile temas eden kısmının oranı kullanılmış. Sonuç olarak elde edilen, pürüzlülüğün arttırılması ile ısı trasnsferi kabiliyetinin oransal olarak artışı. Deneyesel çalışmaya ek olarak araştırma ekibi, elde edien sonuçlara tam olarak uyan bir analitik model de geliştirmiş. Gerektiğinde özel uygulamalarda bu model kullanılarak yüzey optimizasyonu yapmak mümkün.
Daha önce bu konudaki çalışmalarda yüzeyde nano boyutta yapılar oluşturulmuştu ve bu da çok daha komplike bir süreçti. Aynı sonuçlar, bu testlerde çok hafif bir yüzey pürüzlendirmesi ile sağlanmış. Wang’ın söylediği ısı transferinin, yüzeyin pürüzlülük oranının bir fonksiyonu olduğu. Bunun temelinde ise soğutma sürecine yardım eden buhar kabarcıklarına etki eden yüzey gerilimi, momentum ve kaldırma kuvveti gibi farklı kuvvetler var.
Bu gelişmeyi en çabuk uygulamaya geçirecek yüksek performanslı elektronik cihazlar ve konsantre güneş enerjisi sistemleri olacak gibi gözükse de aynı prensipler, güç santralında kullanılan buhar kazanlarına desalinasyon tesislerine ya da nükleer reaktörlere uygulanabilir.