Esto muestra la acumulación de hielo en aluminio plano (A), Si fluorado suave (B), y superficies microestructuradas de Si (C) fluorado.
(PhysOrg.com) - Los ingenieros de la Universidad de Harvard han diseñado y demostrado materiales nanoestructurados sin hielo que literalmente repelen las gotas de agua incluso antes de que tengan la oportunidad de congelarse.
El hallazgo, reportado en línea en ACS Nano el 9 de noviembre podría conducir a una nueva forma de mantener las alas de los aviones, edificios líneas eléctricas, e incluso carreteras enteras libres de hielo durante el peor clima invernal. Es más, La integración de la tecnología antihielo directamente en un material es más eficiente y sostenible que las soluciones convencionales como los aerosoles químicos. sal, y calefacción.
Un equipo dirigido por Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Profesora de Ciencia de Materiales en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Harvard (SEAS) y Miembro Principal del Instituto Wyss de Ingeniería de Inspiración Biológica en Harvard, se centró en prevenir más que en combatir la acumulación de hielo.
"Queríamos adoptar un enfoque completamente diferente y diseñar materiales que prevengan de manera inherente la formación de hielo al repeler las gotas de agua, "dice Aizenberg." De estudios anteriores, También nos dimos cuenta de que la formación de hielo no es un evento estático. El enfoque crucial fue investigar todo el proceso dinámico de cómo las gotas impactan y se congelan en una superficie superenfriada ".
Para la inspiración inicial, los investigadores recurrieron a algunas soluciones elegantes que se ven en la naturaleza. Por ejemplo, los mosquitos pueden desempañar sus ojos, y los zancudos pueden mantener las piernas secas gracias a una serie de pequeñas cerdas que repelen las gotas reduciendo el área de superficie que encuentran cada uno.
"La congelación comienza cuando las gotas chocan contra una superficie, ", explica Aizenberg." Pero se sabe muy poco sobre lo que sucede cuando las gotas golpean superficies a bajas temperaturas ".
Para obtener una comprensión detallada del proceso, los investigadores vieron videos de alta velocidad de gotas superenfriadas que golpean superficies que fueron modeladas a partir de las que se encuentran en la naturaleza. Vieron que cuando una gota fría golpea la superficie nanoestructurada, primero se extiende, pero luego el proceso se ejecuta a la inversa:la gota se retrae a una forma esférica y rebota en la superficie antes de tener la oportunidad de congelarse.
Por el contrario, sobre una superficie lisa sin las propiedades estructuradas, una gota permanece esparcida y eventualmente se congela.
"Fabricamos superficies con varias geometrías y tamaños de características:cerdas, cuchillas y patrones interconectados, como panales y ladrillos, para probar y comprender los parámetros críticos para la optimización, "dice Lidiya Mishchenko, estudiante de posgrado en el laboratorio de Aizenberg y primer autor del artículo.
El uso de materiales diseñados con tanta precisión permitió a los investigadores modelar el comportamiento dinámico de las gotas impactantes con un nivel de detalle asombroso. llevándolos a crear un mejor diseño para los materiales que evitan el hielo.
Imágenes secuenciales de la eliminación de la capa de hielo del Al hidrófilo, Si hidrofóbico fluorado, y Si fluorado microestructurado (SHS).
Otro beneficio importante de probar una amplia variedad de estructuras, Mishchenko agrega, fue que permitió al equipo optimizar la estabilidad de la presión. Descubrieron que las estructuras compuestas por patrones interconectados eran ideales para estables, Superficies repelentes de líquidos que pueden soportar colisiones de gotas de alto impacto, como los que se encuentran bajo la lluvia torrencial o por los aviones en vuelo.
Los materiales nanoestructurados evitan la formación de hielo incluso a temperaturas tan bajas como -25 a -30 grados Celsius. Debajo de eso, debido al área de contacto reducida que evita que las gotas mojen completamente la superficie, cualquier hielo que se forme no se adhiere bien y es mucho más fácil de quitar que las capas rebeldes que se pueden formar en superficies planas.
"Vemos este enfoque como un cambio radical y muy necesario en las tecnologías antihielo, ", dice Aizenberg." El concepto de superficies sin fricción que desvían las gotas de agua superenfriadas antes de que pueda ocurrir la nucleación del hielo es más que una teoría o experimentos de prueba de principio. Hemos comenzado a probar esta tecnología prometedora en entornos del mundo real para proporcionar un marco integral para optimizar estas superficies robustas sin hielo para una amplia gama de aplicaciones. cada uno de los cuales puede tener un conjunto específico de requisitos de desempeño ".
En comparación con los métodos tradicionales de prevención o eliminación de hielo, como salazón o calentamiento, el enfoque de materiales nanoestructurados es eficiente, no tóxico, y respetuoso con el medio ambiente. Más lejos, cuando se utilizan productos químicos para descongelar un avión, por ejemplo, pueden ser arrastrados al medio ambiente y su eliminación debe controlarse cuidadosamente. Similar, la sal en las carreteras puede provocar corrosión y problemas de escorrentía en las fuentes de agua locales.
Los investigadores anticipan que con su mejor comprensión del proceso de formación de hielo, Pronto podría desarrollarse y comercializarse un nuevo tipo de revestimiento integrado directamente en una variedad de materiales.
