Woda gotuje się zbyt wolno? Naukowcy znaleźli sposób, aby zwiększyć wydajność tego procesu
Wolno gotująca się woda to nie tylko problem, kiedy chcesz zrobić sobie kawę. Szybkość gotowania się wody ma też wpływ na ilość zużytej energii, która jest na wagę złota. Naukowcy przychodzą z dość niecodziennym sposobem na zwiększenie wydajności tego codziennego procesu: nanomilimetrowe zmiany tekstury materiału, z którego wykonane są naczynia służące do gotowania wody.
Woda to z pewnością najczęściej gotowana substancja na świecie: herbata, kawa, szeroko pojęte gotowanie, kąpiele czy generowanie energii elektrycznej - to tylko kilka z wielu zastosowań gorącej wody. Tak wielka gama zastosowań i relatywnie długi czas nagrzewania się wody sprawiają, że ludzkość od lat poszukuje sposobów na redukcję czasu jej gotowania. Nie chodzi bowiem jedynie o nasz cenny czas, ale także o ilość energii zużywanej do tego procesu.
Naukowcy z Masachussets Institute of Technology opracowali sposób, aby zwiększyć wydajność procesu gotowania. Rozwiązaniem nie jest ani technika, ani źródło ciepła, lecz powierzchnia materiału, z którego wykonane jest naczynie do gotowania. Zespół uczonych pod przewodnictwem doktora Youngsupa Songa dowiódł, że za pomocą trzech modyfikacji powierzchni materiału można zwiększyć efektywność, z jaką gotuje się woda. Swoje dokonanie opisali na łamach czasopisma Advanced Materials.
Jak mówią naukowcy, istnieją dwa kluczowe parametry opisujące proces wrzenia: współczynnik przenikania ciepła (HTC) i krytyczny strumień ciepła (CHF). Przy projektowaniu materiałów inżynierowie zwykle idą na kompromis: jeżeli jakaś właściwość materiału poprawia jeden parametr, robi to kosztem drugiego. Podczas gdy oba są niezmiernie ważne dla procesu gotowania. Biorąc to pod uwagę, amerykańscy badacze opracowali metodę, dzięki której inżynierowie nie będą musieli iść na kompromis. Dzięki kombinacji różnych tekstur na powierzchni materiału, zarówno HTC i CHF będą rosnąć, a to z kolei przełoży się na wydajność gotowania wody.
Modyfikacje w skali nano kluczem do zwiększenia szybkości gotowania wody
Zdaniem naukowców rozwiązaniem tego problemu jest dodanie serii mikroskopijnych wgłębień do powierzchni materiału, z którego wykonane jest naczynie. Wolna przestrzeń we wgłębieniach skutecznie utrzymuje w nich pęcherzyki gazu i zapobiega ich rozprzestrzenianiu się w postaci warstwy odpornej na ciepło. W swojej pracy naukowcy opisali stworzony przez siebie układ wgłębień o szerokości 10 mikrometrów, oddzielonych od siebie o około 2 milimetry.
Wadą tego rozwiązania jest potencjalnie zmniejszenie koncentracji pęcherzyków na powierzchni, co może zmniejszyć wydajność wrzenia. Aby temu zapobiec, zespół dokonał kolejnej zmiany w powierzchni materiału, tworząc drobne nierówności i grzbiety o długości kilku nanometrów, a to z kolei przełożyło się na zwiększenie powierzchni doprowadzającej ciepło do wody.
Trzecią zmianą, jaką wprowadzili naukowcy, było zrobienie małych wgłębień we wcześniej wytworzonych grzbietach. Owe wgłębienia przyczyniły się do kolejnego zwiększenia powierzchni, która ogrzewa wodę. Połączenie tych trzech cech - serii oddzielonych od siebie wgłębień, nierówności i grzbietów oraz wgłębień w grzbietach - zdaniem Songa przyczyni się do zwiększonej wydajności gotowania wody.
Choć praca naukowców potwierdza efektywność tej metody, uczeni podkreślają, że badania odbyły się jedynie w warunkach laboratoryjnych na małą skalę. Jak mówią, potrzeba będzie dużo badań oraz jeszcze więcej czasu, by wprowadzić materiały o zmodyfikowanej nanoteksturze do powszechnej produkcji i użytku.
Jak mówi Song, technika opracowana przez jego zespół może stanowić inspirację do stworzenia podobnych modyfikacji dla innych cieczy, które mają inne właściwości fizyczne niż woda. Natomiast jak mówi doktor Evelyn N. Wang, członek zespołu pod przewodnictwem dr. Songa, w obecnej formie dokonania zespołu mogą znaleźć zastosowania na mniejszą skalę, np. w zarządzaniu termicznym urządzeniami elektronicznymi.
