Une technologie qui améliore jusqu’à 5,5 fois la performance de transfert de chaleur par condensation par rapport aux surfaces de cuivre conventionnelles a été développée en favorisant la formation et le détachement plus rapides des gouttelettes d’eau. Elle devrait contribuer à améliorer l’efficacité énergétique des centrales électriques et des installations de dessalement, ainsi que les performances de refroidissement des dispositifs électroniques.
Le KAIST a annoncé le 23 août qu’une équipe de recherche conjointe dirigée par le professeur Youngsuk Nam du département de génie mécanique et le professeur Sung Gap Im du département de génie chimique et biomoléculaire a développé une technologie qui contrôle l’épaisseur et la structure d’un revêtement polymère ultra-mince appliqué sur une surface, permettant à un plus grand nombre de gouttelettes d’eau de se former et aux gouttelettes résultantes de se détacher plus rapidement lorsque la vapeur d’eau se transforme en eau liquide.
La condensation est le processus par lequel la vapeur d’eau se transforme en eau liquide. Il est facile de l’observer dans la vie quotidienne, par exemple lorsque des gouttelettes se forment sur la surface d’un verre de boisson froide. Dans le secteur industriel, elle est largement utilisée pour reconvertir la vapeur en eau dans les centrales électriques, obtenir de l’eau douce à partir de l’eau de mer et évacuer la chaleur générée par les dispositifs électroniques.
Pendant la condensation, il est essentiel d’éliminer rapidement l’eau de la surface. Sur les surfaces métalliques ordinaires, les petites gouttelettes fusionnent pour former un mince film d’eau. Ce film d’eau ajoute une résistance thermique, entrave le flux de chaleur et réduit l’efficacité du transfert de chaleur, un peu comme les couches de vêtements d’hiver qui ralentissent la perte de chaleur corporelle.
En revanche, lorsque l’eau se forme en petites gouttelettes et se détache en continu, elle expose à plusieurs reprises une nouvelle surface. Ce phénomène, par lequel l’eau se condense sous forme de gouttelettes, est appelé condensation en gouttes. En clair, au lieu de recouvrir en permanence la surface, les gouttelettes se forment et tombent à répétition. Cela permet de transférer la chaleur plus efficacement.
Les technologies existantes étaient toutefois confrontées à un dilemme. Rendre la surface rugueuse pour créer davantage de sites où les gouttelettes pouvaient se former initialement faisait que les gouttelettes restaient piégées dans les structures et ne se détachaient pas facilement. À l’inverse, lisser la surface facilitait le détachement des gouttelettes mais réduisait le nombre de sites disponibles pour la formation de nouvelles gouttelettes. En d’autres termes, les caractéristiques de surface qui favorisent la formation de gouttelettes peuvent également les rendre plus difficiles à éliminer, créant un compromis fondamental entre nucléation et mobilité des gouttelettes.
L’équipe de recherche a résolu ce problème en utilisant des agrégats polymères nanométriques qui étaient auparavant considérés comme des « défauts » dans les films polymères. L’équipe a utilisé le dépôt chimique en phase vapeur initié (iCVD), un procédé qui dépose des précurseurs en phase gazeuse sur une surface pour créer un film polymère ultra-mince. Lorsque le film polymère était rendu plus mince, de petits agrégats polymères se formaient de manière dense sur toute la surface et servaient de sites de nucléation où les gouttelettes d’eau pouvaient facilement commencer à se former. En conséquence, environ trois fois plus de gouttelettes se formaient sur les films polymères minces que sur les films plus épais.
L’équipe a ensuite ajouté une étape de traitement thermique pour réduire la force maintenant les gouttelettes sur la surface. Cela a permis aux gouttelettes de se détacher facilement avant de devenir trop grosses. En d’autres termes, l’amincissement du film polymère a augmenté le nombre de sites où les gouttelettes pouvaient se former, tandis que le traitement thermique a aidé les gouttelettes résultantes à se détacher rapidement. L’avancée clé a été de contrôler séparément ces deux effets concurrents : l’épaisseur du film a augmenté la nucléation des gouttelettes, tandis que le traitement thermique a favorisé leur élimination.
De nouvelles gouttelettes se forment là où les précédentes se sont détachées. Tout comme la personne suivante qui s’assied dès qu’une place se libère, plus les gouttelettes se forment et se détachent rapidement, plus la surface est renouvelée, ce qui permet de transférer la chaleur plus efficacement pendant la condensation.
L’équipe de recherche a recouvert des tubes de cuivre couramment utilisés dans les condenseurs réels avec le film polymère et a évalué leurs performances. Le coefficient de transfert de chaleur maximal en condensation, une mesure de la capacité de transfert de chaleur, a atteint environ 88 kW·m⁻²·K⁻¹. Cela représentait une performance de transfert de chaleur jusqu’à environ 5,5 fois supérieure à celle d’une surface de cuivre conventionnelle avec un film d’eau. Le revêtement a également affiché des performances supérieures de plus de 50 % à celles d’une surface de revêtement hydrophobe conventionnelle.
Contrairement aux approches conventionnelles axées sur le lissage ou l’hydrophobisation des surfaces, cette étude a activement utilisé de petits « défauts » de surface. Les chercheurs ont découvert que des particules nanométriques, auparavant considérées comme des éléments à éliminer, pouvaient au contraire favoriser la formation de gouttelettes, et ils ont intégré cette découverte dans une nouvelle stratégie de conception de surface.
Si elle est appliquée aux centrales électriques ou aux échangeurs de chaleur industriels, cette technologie pourrait contribuer à améliorer l’efficacité énergétique en transférant la chaleur plus efficacement. Elle devrait également permettre une collecte d’eau plus efficace dans les dispositifs de dessalement et de récupération d’eau, ainsi qu’une évacuation plus rapide de la chaleur pour un meilleur refroidissement des dispositifs électroniques.
Le professeur Nam a déclaré : « Cette recherche est importante car elle utilise des nanostructures auparavant considérées comme des défauts pour favoriser la formation de gouttelettes. Nous avons présenté une nouvelle méthode pour améliorer l’efficacité du transfert de chaleur en contrôlant séparément la formation et l’élimination des gouttelettes. » Il a ajouté : « Étant donné que cette technologie peut former des revêtements extrêmement minces et uniformes même sur des surfaces aux formes complexes, nous nous attendons à ce qu’elle soit utilisée dans diverses applications énergétiques et environnementales, notamment les échangeurs de chaleur industriels. »
Jun Soo Kim, chercheur au département de génie mécanique, et Minjeong Kang, chercheuse au département de génie chimique et biomoléculaire, sont les premiers auteurs de l’étude. Les résultats ont été publiés en ligne dans la revue internationale Nature Communications le 16 juillet.
Titre de l’article : Rational design of polymer film morphology via structure–performance linkage for enhanced condensation performance
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-026-75621-5
Cette recherche a été soutenue par le programme de soutien aux chercheurs en milieu de carrière (ministère des Sciences et des TIC et Fondation nationale de la recherche de Corée), le programme de développement de l’innovation technologique pour les PME (ministère des PME et des Startups et Agence coréenne de promotion de la technologie et de l’information pour les PME) et le programme d’aide à l’activation des start-ups deep-tech (ministère des Sciences et des TIC et Agence de promotion de la commercialisation des résultats de R&D, COMPA).
Article : Rational design of polymer film morphology via structure–performance linkage for enhanced condensation performance – Journal : Nature Communications – DOI : Lien vers l’étude
Source : KAIST
