Powierzchnie, które zatrzymują lód

Lód to niebezpieczny element życia zimowego, który sieje spustoszenie w drogach, liniach komunalnych, budynkach i transporcie lotniczym. Konwencjonalne metody pozbywania się lodu, takie jak bezpośrednie ogrzewanie, stosowanie soli lub używanie środków chemicznych w celu wywołania topnienia, mają swoje wady: mogą powodować korozję materiałów, na które są nakładane i szkodzić środowisku, i są one tylko skromne lub czasowo skuteczne. Ale naukowcy z Harvardu twierdzą, że stworzyli materiały, które przede wszystkim zapobiegają tworzeniu się lodu na powierzchniach.

Trzymaj lód: Konwencjonalne powierzchnie umożliwiają kropelkom lodu (po lewej) chwytanie i formowanie arkuszy (w środku), ale szorstkość powierzchni w nanoskali zapobiega tworzeniu się lodu.

Naukowcy mówią o swoim przełomie, o czym informowaliśmy w najnowszym numerze ACS Nano , może mieć zastosowanie nie tylko do lotnictwa, ale także do nawierzchni drogowych, budownictwa, przesyłu energii i praktycznie każdej innej branży, w której problemem jest chemiczne i fizyczne odladzanie. Chcemy, aby lód w ogóle się nie tworzył – mówi Joanna Aizenberg, materiałoznawca i kierownik projektu.

Ta historia była częścią naszego wydania z listopada 2011 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Kiedy początkowa kropla lodu uderza w konwencjonalną powierzchnię, rozszerza się i chwyta, stając się podstawą do agregacji większej liczby kropelek i ostatecznie tafli lodu. Ale powierzchnie Aizenberga są superhydrofobowe, co dosłownie oznacza, że ​​bardzo boją się wody. Zawierają geometryczne wzory wielkości mikronów, w tym słupki, cegły i inne struktury, które powodują odbijanie się kropelek, zanim będą mogły przylgnąć. Kluczową cechą jest to, że projektujemy te konstrukcje tak, aby były prawie pozbawione tarcia, wyjaśnia Aizenberg. Kropelki są skutecznie odchylane przed tworzeniem się lodu.

W testach Aizenberg i jej koledzy odkryli, że ich materiały są odporne na gromadzenie się lodu, dopóki temperatura nie spadnie do około -30°C. To znacznie zimniej niż w prawie każdym środowisku przemysłowym, zauważa. Nawet w bardzo niskich temperaturach, kiedy odporność na lód zaczyna się załamywać, nie wszystko jest stracone. Lód, który się tworzy, ma słabą przyczepność i wymaga niewielkiej części — mniej niż 10 procent — normalnej siły potrzebnej do usunięcia go z tradycyjnych powierzchni. Bardzo łatwo jest go zdjąć, ponieważ styka się z powierzchnią tylko na końcach tych nanostrukturalnych elementów, mówi Aizenberg. Można go usunąć samym strumieniem powietrza.

Nanostruktury mogą być wytrawiane lub formowane w metal, gumę lub inne substancje – dodaje Aizenberg, którego grupa złożyła wniosek o patent na metodę i planuje ją komercjalizować. Nie jest jasne, ile kosztowałoby zwiększenie odporności na lód na danej powierzchni, mówi Aizenberg, ale przewiduje, że będzie ona wystarczająco niska, aby nie zniechęcać do jej stosowania. Pozostaje również do zbadania, czy nakładanie nanostruktur na powierzchnię wymagałoby okresowego odświeżania. Jej zespół prowadzi badania w tunelach aerodynamicznych, aby zobaczyć, jak trwałe są materiały, analizując ich zdolność do wytrzymywania wysokich prędkości i innych rzeczywistych naprężeń.

Chociaż samoloty są oczywistym miejscem przeznaczenia materiałów blokujących lód, Aizenberg twierdzi, że innym ważnym zastosowaniem będzie budownictwo. Gromadzenie się lodu na dachach może zagrażać ich integralności strukturalnej. Powierzchnie dachowe, które strząsały lód, mogą zapobiec katastrofalnym zawaleniom.

Matthew Herman, fizyk budowlany z międzynarodowej firmy inżynieryjnej Buro Happold, mówi, że technologia odpychania lodu byłaby niezwykle przydatna w przypadku dużych budowli. Herman mówi, że wiele zabytkowych budynków w Nowym Jorku, Bostonie i Chicago jest zbudowanych z półek. Są piękne do tworzenia cieni i tekstur, ale pozwalają na gromadzenie się śniegu. W końcu dostajesz wystarczającą ilość wody i lodu siedząc na półce, że może spaść, i musisz postawić rusztowanie lub baldachim, aby chronić ludzi poniżej.

Howard Stone, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej na Uniwersytecie Princeton, mówi, że cudownie twórcza praca Aizenberga stwarza wiele możliwości komercyjnych. Zastanawiał się, czy zastosowanie materiałów odpornych na lód zmieni zachowanie aerodynamiczne powierzchni, takiej jak skrzydło samolotu, ale Aizenberg i jej koledzy rozważyli tę kwestię dogłębnie i twierdzą, że aerodynamika prawdopodobnie nie będzie naruszona. Planują opublikować te dane w przyszłym artykule.

ukryć