Las superficies y revestimientos repelentes al agua podrían hacer que la remoción de hielo sea una brisa literal al forzar el crecimiento del hielo en lugar de simplemente patinar. dice un nuevo estudio de la Universidad de Nebraska-Lincoln y varias instituciones chinas.

Los investigadores descubrieron que el hielo crece de manera diferente en superficies absorbentes que repelentes al agua, demostrando que una ráfaga de aire puede expulsar el hielo que se forma en este último. Sus hallazgos sugieren que la aplicación de revestimientos repelentes al agua a los parabrisas antes de las tormentas invernales, o superficies de ingeniería que repelen el agua de forma inherente, podría permitir que una fuerte brisa maneje la carga de la remoción de hielo.

Los experimentos y simulaciones mostraron que una gota de agua en una superficie repelente se congelará hacia arriba en una formación microscópica de seis brazos que se asemeja a un copo de nieve idealizado. con solo una pequeña porción de su base adherida a la superficie. Esto tiene sentido dado que las gotas de agua se acumulan en lugar de extenderse sobre superficies repelentes, dijo el coautor de Nebraska Xiao Cheng Zeng.

A diferencia de, gotas en una superficie absorbente cristalizaron en hielo que creció a lo largo de esa superficie, lo que hace que sea más difícil de eliminar. Las simulaciones a nivel molecular sugirieron que estas gotas casi inmediatamente comenzaron a formar dos capas apiladas de hielo bidimensional hexagonal, una forma que Zeng descubrió anteriormente y apodó Nebraska Ice. Este hielo ultrafino alienta a las moléculas de agua a patinar esencialmente a través de él y colonizar otras áreas de la superficie. Dijo Zeng.

"Si el agua y la superficie no tienen mucha química al principio, no se gustan, es como un divorcio o una separación, "dijo Zeng, Catedrático de Química de la Universidad del Canciller. "Pero si se gustan, se casan y permanecen juntos durante mucho tiempo.

"Ahí es cuando el hielo crece a lo largo de la superficie. En el invierno, si tienes ese tipo de hielo en un parabrisas, tienes que usar un raspador para quitarlo ".

Hacia adelante o hacia arriba

La temperatura y la presión dictan principalmente cómo cristalizan las gotas de agua al aire libre, y esas variables influyen en la formación de hielo en superficies sólidas, Dijo Zeng. Pero el estudio del equipo sugiere que el ángulo de contacto de una superficie, el ángulo formado donde una gota de agua se encuentra con una superficie sólida, determina si el hielo crecerá a lo largo o fuera de la superficie. Mientras que una superficie hidrófila permite que las gotas se extiendan a través de ella en un pequeño ángulo de contacto, una superficie hidrófoba que repele el agua forzará a que las gotas se acumulen y formen un ángulo mayor.

"Si el agua se congela de una forma u otra depende de la superficie, no la temperatura, ", Dijo Zeng." Depende casi por completo del ángulo de contacto ".

En una superficie libre de defectos fabricada en el laboratorio o modelada en una simulación por computadora, el hielo pasa de un crecimiento a lo largo de la superficie a un crecimiento fuera de la superficie en un ángulo de contacto de entre 30 y 40 grados, el equipo encontró. Los investigadores también descubrieron que aumentar la rugosidad de una superficie al agrandar sus poros nanoscópicos en realidad disminuía este umbral angular. lo que significa que las superficies más rugosas no necesitan ser tan repelentes al agua para fomentar el crecimiento de hielo que se elimina más fácilmente.

Rompiendo el hielo

Para comparar las dos formas de crecimiento del hielo, Los investigadores diseñaron una superficie transparente dividida en mitades:una hidrófila, uno hidrofóbico. Luego conectaron una cámara de alta velocidad a un microscopio, captura de video de los respectivos procesos tanto desde abajo como desde un perfil lateral.

Cuando los investigadores sometieron ambas mitades a bocanadas de aire, descubrieron que el hielo abandonó la mitad hidrófoba pero se mantuvo firmemente en el lado hidrófilo. Y el hielo que avanzó a través de la mitad hidrofílica se detuvo abruptamente cuando se acercó al territorio hidrofóbico.

"La gente ha estado estudiando cómo el agua interactúa con las superficies durante mucho tiempo, largo tiempo, ", Dijo Zeng." Pero este fenómeno estaba fuera del radar hasta ahora ".

Zeng fue el autor del estudio con Chongqin Zhu de Nebraska, investigador postdoctoral en química; José Francisco, decano de la Facultad de Artes y Ciencias; junto con colegas de la Academia China de Ciencias, Universidad de Tecnología Química de Beijing, y Universidad de Pekín. El equipo informó sus hallazgos en la revista. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .