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Nenad Miljkovic
Author with expertise in Superhydrophobic Surface Technology
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Solar steam generation by heat localization

Hadi Ghasemi et al.Jul 21, 2014
Currently, steam generation using solar energy is based on heating bulk liquid to high temperatures. This approach requires either costly high optical concentrations leading to heat loss by the hot bulk liquid and heated surfaces or vacuum. New solar receiver concepts such as porous volumetric receivers or nanofluids have been proposed to decrease these losses. Here we report development of an approach and corresponding material structure for solar steam generation while maintaining low optical concentration and keeping the bulk liquid at low temperature with no vacuum. We achieve solar thermal efficiency up to 85% at only 10 kW m−2. This high performance results from four structure characteristics: absorbing in the solar spectrum, thermally insulating, hydrophilic and interconnected pores. The structure concentrates thermal energy and fluid flow where needed for phase change and minimizes dissipated energy. This new structure provides a novel approach to harvesting solar energy for a broad range of phase-change applications. Steam generation from solar energy is currently inefficient because of costly high optical concentration and large heat losses involved. Ghasemi et al. develop an efficient approach with internal efficiency up to 85% at low water temperature using a carbon-based material with a double-layer structure.
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Jumping-Droplet-Enhanced Condensation on Scalable Superhydrophobic Nanostructured Surfaces

Nenad Miljkovic et al.Nov 28, 2012
When droplets coalesce on a superhydrophobic nanostructured surface, the resulting droplet can jump from the surface due to the release of excess surface energy. If designed properly, these superhydrophobic nanostructured surfaces can not only allow for easy droplet removal at micrometric length scales during condensation but also promise to enhance heat transfer performance. However, the rationale for the design of an ideal nanostructured surface as well as heat transfer experiments demonstrating the advantage of this jumping behavior are lacking. Here, we show that silanized copper oxide surfaces created via a simple fabrication method can achieve highly efficient jumping-droplet condensation heat transfer. We experimentally demonstrated a 25% higher overall heat flux and 30% higher condensation heat transfer coefficient compared to state-of-the-art hydrophobic condensing surfaces at low supersaturations (<1.12). This work not only shows significant condensation heat transfer enhancement but also promises a low cost and scalable approach to increase efficiency for applications such as atmospheric water harvesting and dehumidification. Furthermore, the results offer insights and an avenue to achieve high flux superhydrophobic condensation.
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Effect of Droplet Morphology on Growth Dynamics and Heat Transfer during Condensation on Superhydrophobic Nanostructured Surfaces

Nenad Miljkovic et al.Jan 31, 2012
Condensation on superhydrophobic nanostructured surfaces offers new opportunities for enhanced energy conversion, efficient water harvesting, and high performance thermal management. These surfaces are designed to be Cassie stable and favor the formation of suspended droplets on top of the nanostructures as compared to partially wetting droplets which locally wet the base of the nanostructures. These suspended droplets promise minimal contact line pinning and promote passive droplet shedding at sizes smaller than the characteristic capillary length. However, the gas films underneath such droplets may significantly hinder the overall heat and mass transfer performance. We investigated droplet growth dynamics on superhydrophobic nanostructured surfaces to elucidate the importance of droplet morphology on heat and mass transfer. By taking advantage of well-controlled functionalized silicon nanopillars, we observed the growth and shedding behavior of suspended and partially wetting droplets on the same surface during condensation. Environmental scanning electron microscopy was used to demonstrate that initial droplet growth rates of partially wetting droplets were 6× larger than that of suspended droplets. We subsequently developed a droplet growth model to explain the experimental results and showed that partially wetting droplets had 4-6× higher heat transfer rates than that of suspended droplets. On the basis of these findings, the overall performance enhancement created by surface nanostructuring was examined in comparison to a flat hydrophobic surface. We showed these nanostructured surfaces had 56% heat flux enhancement for partially wetting droplet morphologies and 71% heat flux degradation for suspended morphologies in comparison to flat hydrophobic surfaces. This study provides insights into the previously unidentified role of droplet wetting morphology on growth rate, as well as the need to design Cassie stable nanostructured surfaces with tailored droplet morphologies to achieve enhanced heat and mass transfer during dropwise condensation.
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Condensation on Superhydrophobic Surfaces: The Role of Local Energy Barriers and Structure Length Scale

Ryan Enright et al.Aug 29, 2012
Water condensation on surfaces is a ubiquitous phase-change process that plays a crucial role in nature and across a range of industrial applications, including energy production, desalination, and environmental control. Nanotechnology has created opportunities to manipulate this process through the precise control of surface structure and chemistry, thus enabling the biomimicry of natural surfaces, such as the leaves of certain plant species, to realize superhydrophobic condensation. However, this "bottom-up" wetting process is inadequately described using typical global thermodynamic analyses and remains poorly understood. In this work, we elucidate, through imaging experiments on surfaces with structure length scales ranging from 100 nm to 10 μm and wetting physics, how local energy barriers are essential to understand non-equilibrium condensed droplet morphologies and demonstrate that overcoming these barriers via nucleation-mediated droplet-droplet interactions leads to the emergence of wetting states not predicted by scale-invariant global thermodynamic analysis. This mechanistic understanding offers insight into the role of surface-structure length scale, provides a quantitative basis for designing surfaces optimized for condensation in engineered systems, and promises insight into ice formation on surfaces that initiates with the condensation of subcooled water.
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Modeling and Optimization of Superhydrophobic Condensation

Nenad Miljkovic et al.Sep 23, 2013
Superhydrophobic micro/nanostructured surfaces for dropwise condensation have recently received significant attention due to their potential to enhance heat transfer performance by shedding water droplets via coalescence-induced droplet jumping at length scales below the capillary length. However, achieving optimal surface designs for such behavior requires capturing the details of transport processes that is currently lacking. While comprehensive models have been developed for flat hydrophobic surfaces, they cannot be directly applied for condensation on micro/nanostructured surfaces due to the dynamic droplet-structure interactions. In this work, we developed a unified model for dropwise condensation on superhydrophobic structured surfaces by incorporating individual droplet heat transfer, size distribution, and wetting morphology. Two droplet size distributions were developed, which are valid for droplets undergoing coalescence-induced droplet jumping, and exhibiting either a constant or variable contact angle droplet growth. Distinct emergent droplet wetting morphologies, Cassie jumping, Cassie nonjumping, or Wenzel, were determined by coupling of the structure geometry with the nucleation density and considering local energy barriers to wetting. The model results suggest a specific range of geometries (0.5–2 μm) allowing for the formation of coalescence-induced jumping droplets with a 190% overall surface heat flux enhancement over conventional flat dropwise condensing surfaces. Subsequently, the effects of four typical self-assembled monolayer promoter coatings on overall heat flux were investigated. Surfaces exhibiting coalescence-induced droplet jumping were not sensitive (<5%) to the coating wetting characteristics (contact angle hysteresis), which was in contrast to surfaces relying on gravitational droplet removal. Furthermore, flat surfaces with low promoter coating contact angle hysteresis (<2 deg) outperformed structured superhydrophobic surfaces when the length scale of the structures was above a certain size (>2 μm). This work provides a unified model for dropwise condensation on micro/nanostructured superhydrophobic surfaces and offers guidelines for the design of structured surfaces to maximize heat transfer. Keywords: superhydrophobic condensation, jumping droplets, droplet coalescence, condensation optimization, environmental scanning electron microscopy; micro/nanoscale water condensation, condensation heat transfer.
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