Los científicos e ingenieros han estado librando una batalla tranquila pero decidida contra la acumulación de hielo en la infraestructura. Una fina capa de hielo en los paneles solares puede causar estragos en su capacidad para generar electricidad. Las delgadas capas de hielo en las paletas de las turbinas eólicas pueden ralentizar su eficiencia.

Y una fina capa de hielo en una línea de transmisión eléctrica puede ser el primer paso en la peligrosa acumulación de hielo. Eso es exactamente lo que sucedió en Quebec en 1998, cuando una acumulación de hielo en líneas de transmisión y torres aplastó más de 150 torres, dejando a más de un millón de personas sin electricidad y causando daños por aproximadamente 5.000 millones de dólares canadienses.

Ahora, un equipo de investigación de la Universidad Noruega de Ciencia y Tecnología (NTNU) informa sobre un enfoque novedoso para prevenir la acumulación de hielo agrietándolo. "Creemos que hemos encontrado un método muy interesante para reducir la adhesión del hielo que es único, y un gran avance en la comunidad antihielo, "dice Zhiliang Zhang, profesor del Departamento de Ingeniería Estructural de NTNU y jefe del equipo del proyecto de investigación SLICE que descubrió la técnica. Su enfoque acaba de ser publicado en Materia blanda , una publicación de la Royal Society of Chemistry.

Si alguna vez ha tomado un vuelo en invierno, es casi seguro que haya experimentado un enfoque para evitar que el hielo se adhiera a una superficie, que implica rociar líquido de deshielo en las alas de un avión y otras partes críticas del avión. El spray elimina físicamente cualquier hielo acumulado, pero también hace que la superficie del avión sea menos propensa a acumular nieve o hielo (aunque solo por un breve período). En la mayoría de las aplicaciones industriales, sin embargo, como en una plataforma costa afuera o en un barco en el Ártico, o en aerogeneradores, rociar anticongelante en una estructura no es una opción.

Así, los científicos y los ingenieros han creado sustancias que se denominan superhidrofóbicas. Esto significa que sobresalen en repeler el agua. Las sustancias superhidrofóbicas se pueden aplicar a las superficies mediante pulverización o inmersión. A menudo, están hechos de productos químicos fluorados que no son particularmente amigables con el medio ambiente. Y los científicos no están completamente seguros de que una superficie superhidrofóbica pueda permanecer libre de hielo, al menos durante largos períodos. Eso motivó a Zhang y sus colegas del Laboratorio de Nanomecánica de NTNU a probar un enfoque completamente diferente.

"Nuestra estrategia es vivir con hielo, " él dijo, dejándolo formar, pero asegurándose de que las capas de hielo se rompan de la superficie y se caigan. En sus esfuerzos por encontrar formas de evitar que el hielo se adhiera a las superficies, Los investigadores del hielo han intentado manipular las fuerzas físicas para generar grietas en la interfaz a nanoescala y microescala.

Muchos investigadores del hielo han intentado crear superficies resbaladizas que dependen de la química de la superficie para causar grietas al debilitar los enlaces atómicos entre el hielo y la superficie. Estas sustancias relacionadas con la química de la superficie se denominan NACI, para iniciadores de nano-grietas.

A microescala, Los investigadores del hielo han construido microbombos en las superficies que quieren proteger del hielo. Estos microbombos se denominan iniciadores de microgrietas, o MICI, porque su rugosidad promueve microgrietas en el contacto entre la superficie y el hielo, y limita la capacidad del hielo para adherirse a la superficie tratada.

Ninguno de estos mecanismos es perfecto para evitar que el hielo se adhiera a una superficie. Zhang y sus colegas probaron una serie de recubrimientos comerciales y caseros que se basan en NACI y MICI para reducir la capacidad del hielo de adherirse a la superficie. Poco a poco se dieron cuenta de que si agregaban otra estructura debajo de la superficie, podrían formar grandes macrogrietas en la interfaz entre la superficie y el hielo. Llamaron a este mecanismo MACI, para iniciador de macrogrietas.

A medida que las grietas se hacen más grandes, es menos probable que el hielo se quede en la superficie. De este modo, MACI tiene la clave para deshacerse de la acumulación de hielo en las superficies, Dijo Zhang. Para probar su idea, Zhang y sus colegas crearon capas subterráneas que tenían microagujeros o pilares. Luego hicieron una película delgada de una sustancia llamada polidimetilsiloxano, o PDMS, que cubrió el agujero, capas de subestructura con baches.

Probaron múltiples diseños de sus estructuras internas MACI. También probaron lo que sucedería si usaran múltiples capas con orificios internos. Los investigadores se sorprendieron al descubrir que las superficies que tenían las subestructuras MACI tenían resistencias de adhesión al hielo que eran al menos un 50 por ciento más débiles que las superficies de PDMS puro sin MACI. Una superficie con el diseño especial MACI les dio a los investigadores los resultados que esperaban, con algunos de los valores más bajos de adhesión al hielo, o pegajosidad, alguna vez medido.

"La fuerza de adherencia del hielo para superficies comunes de acero o aluminio al aire libre es de alrededor de 600-1000 kPa, ", Dijo Zhang." Al introducir el novedoso concepto MACI en el diseño de la superficie, alcanzamos el valor de adhesión de hielo superbajo de 5,7 kPa ".

Zhang y sus colegas tienen más trabajo por hacer a medida que desarrollan su idea, pero están emocionados de haber descifrado el código para prevenir la acumulación peligrosa de hielo y limitar los efectos ambientales no deseados. "Las técnicas tradicionales de deshielo activo ... pueden tener importantes efectos perjudiciales en las estructuras y el medio ambiente, ", Dijo Zhang." Pero las superficies pasivas de muy baja adherencia al hielo evitan todos esos efectos perjudiciales. Esto es muy interesante no solo para la comunidad científica, y para aplicaciones árticas, pero para paneles solares, para líneas marítimas y de transmisión. Hay muchas aplicaciones relacionadas con la vida cotidiana ".