سیستم‌های خنک‌کننده که در آنها از تغییر فاز مایع استفاده می‌شود نقش مهمی در فناوری‌های در حال توسعه نظیر میکروچیپ‌های پیشرفته یا سیستم‌های انرژی خورشیدی ایفا می‌کنند. اما درک این مطلب که این سیستم‌ها چگونه کار می‌کنند و چه سطوحی انتقال گرما را به حداکثر می‌رسانند همچنان یک مشکل باقی مانده است.
 


محققان MIT دریافتند که زبرکردن سطوح در مقیاس میکرومتر می‌تواند منجر به افزایش انتقال گرمایی آن شود. این روش نسبت به استفاده از الگوهای کوچکتر نانومتری پیچیدگی کمتر و ماندگاری بیشتری دارد.

مشکل اساسی اتلاف گرما است. در بسیاری از زمینه‌ها از جمله الکترونیک استفاده از یک مایع در حال تغییر فاز- مثل آب جوش- برای انتقال گرما از سطح، برای سال‌های متمادی مورد توجه بوده است ولی تاکنون عوامل تعیین‌کننده در این پدیده به‌درستی شناخته‌ نشده‌اند.
 
تصاویر SEM از سطوح میکروساختار سیلیکون برای آزمایشات جوش . ابعاد این ستون‌ها به‌گونه‌ای است که انجام مطالعات منظم درباره اثرات زبری سطح روی جریان بحرانی گرما را ممکن می‌سازد.
 
تحقیق حاضر استفاده از آب را به‌عنوان خنک‌کننده بررسی می‌کند. محققان دریافتند علت افزایش انتقال گرما با زبر شدن سطح، افزایش عملکرد مویینگی در سطح است که به نگهداری حبابهای هوا و اتصال آنها به سطح انتقال گرما کمک می‌کند و تشکیل لایه بخار را به تاخیر می‌اندازد.

به‌منظور آزمایش این فرآیند، محققان یک سری از ویفرهای سیلیکونی به ابعاد تمبرهای پستی با درجات زبری متفاوت از جمله سطوح کاملا صاف جهت مقایسه، ساختند. سپس درجه زبری به‌عنوان نسبتی از مساحت سطحی که در تماس با مایع قرار می‌گیرد در مقایسه با سطح کاملا صاف اندازه‌گیری شد.

محققان دریافتند که افزایش منظم زبری صرف‌نظر از ابعاد ناهمواری ایجاد شده در سطح، منجر به افزایش نسبی قابلیت اتلاف گرما می‌شود. همچنین، زبر کردن معمولی سطح، انتقال گرما را به اندازه استفاده از فرآیندهای پیچیده‌تر برای تولید الگوهای نانومتری سطح، بهبود می‌بخشد.

محققان علاوه بر مطالعات تجربی، یک مدل تحلیلی نیز توسعه دادند که به‌خوبی با نتایج مشاهده‌شده مطابقت می‌کند. از این مدل می‌توان برای بهبود عملکرد سطوح در کاربردهای ویژه استفاده کرد.

در حالی‌که بیشترین کاربرد این فرآیند در ابزارهای الکترونیکی و سیستم‌های انرژی خورشیدی است، اصول آن برای کاربرد در سیستم‌های بزرگتر از قبیل دیگ‌های بخار نیروگاه‌ها، تاسیسات آب شیرین‌کن یا راکتورهای هسته‌ای یکسان است.