Niets voorspelt de komst van de winter zoals vorst op voorruiten.

Hoewel het ongemak van het schrapen of ontdooien van autoruiten voor veel bestuurders koude ochtenden kan bepalen, de tol die de vorst op de grotere economie eist, is meer dan alleen maar hinderlijk. Van vertraagde vluchten tot stroomstoringen, ijsvorming kan consumenten en bedrijven jaarlijks miljarden dollars kosten aan verloren efficiëntie en mechanische defecten.

Nieuw onderzoek van Virginia Tech, deze week gepubliceerd in ACS toegepaste materialen en interfaces , hoopt daar verandering in te brengen. Met 's werelds eerste demonstratie van een passief antivriesoppervlak, de studie levert een proof-of-concept voor het voor onbepaalde tijd 90 procent droog en vorstvrij houden van oppervlakken - allemaal zonder chemicaliën of energie-input.

"Grijpen is een groot probleem, en onderzoekers werken al jaren aan het oplossen van dit probleem, " zei Farzad Ahmadi, een doctoraalstudent aan de afdeling Biomedische Technologie en Mechanica van Virginia Tech aan het College of Engineering en de hoofdauteur van de studie.

Ahmadi legde uit dat traditionele benaderingen om vorst te bestrijden waren gebaseerd op de toepassing van antivrieschemicaliën of energie-inputs, zoals warmte. Zelfs de eeuwenoude methode om zout op wegen te werpen is in wezen een chemische behandeling. Andere recente ontwikkelingen zijn onder meer speciale coatings voor oppervlakken die vorstvorming voorkomen, maar deze coatings zijn niet duurzaam en slijten gemakkelijk.

"Voor dit project we gebruiken geen speciale coating, Chemicaliën, of energie om vorst te overwinnen, "zei Ahmadi. "In plaats daarvan gebruiken we de unieke chemie van ijs zelf om te voorkomen dat zich rijp vormt."

Met behulp van een eenvoudige benadering van ontwerp, de onderzoekers creëerden hun anti-frosting-oppervlak op onbehandeld aluminium door ijsstrepen te vormen op een microscopische reeks verhoogde groeven. De microscopische groeven fungeren als opofferingsgebieden, waar strepen van opzettelijk ijs worden gevormd en lagedrukzones creëren. Deze lagedrukgebieden trekken nabijgelegen vocht uit de lucht naar de dichtstbijzijnde ijsstreep, de overlappende tussengebieden vorstvrij houden, zelfs in vochtige, omstandigheden onder het vriespunt.

Deze opofferende ijsstrepen vormen slechts 10 procent van het oppervlak van het materiaal, de resterende 90 procent volledig droog achterlaten.

"De echte kracht van dit concept is dat de ijsstrepen zelf de chemie zijn, wat betekent dat het materiaal dat we gebruiken niet relevant is, " zei Jonathan Boreyko, een assistent-professor bij de afdeling Biomedische Technologie en Mechanica. "Zolang je dat juiste patroon van offerijs hebt, het materiaal dat je gebruikt kan van alles zijn. Er zijn dus heel veel mogelijkheden."

De onderzoekers zien directe toepassingen voor de technologie in de HVAC-industrie, waar de buitencomponenten van warmtewisselaars (zoals warmtepompen en ventilatorsystemen) al gebruik maken van een patroon van microvinnen op hun oppervlak. Fabrikanten zouden alleen het juiste patroon van groeven op die vinnen moeten aanbrengen om te voorkomen dat er zich rijp in de systemen ophoopt.

Andere toepassingen zijn onder meer ruimtevaartmaterialen, zoals vliegtuigvleugels. En ja, met een beetje meer ontwikkeling, autoruiten zijn ook een optie voor de antivriestechnologie, die al een volledig patent heeft gekregen.

Naast zijn ongekende antivrieskwaliteiten, de technologie zou extra voordelen kunnen bieden:het kan helpen om traditionele methoden om ijs te bestrijden, die verontrustende gevolgen hebben voor het milieu, teniet te doen. Bijvoorbeeld, er zijn duizenden liters antivrieschemicaliën nodig om de vleugels van een vliegtuig voor een enkele vlucht te ontdooien. Die chemicaliën komen terecht in het grondwater, verspreid in de lucht als kleine druppeltjes, en kunnen blijvende effecten hebben op vegetatie en dieren in het wild, zelfs op mensen.

"Het goede aan ijs is dat het milieuvriendelijk is, "zei Ahmadi. "Het is niet zoals andere chemicaliën of zelfs zout, die niet alleen blijven hangen, maar ook na verloop van tijd verdunnen of verwateren."

Boreyko zei dat een van de belangrijkste bijdragen van de studie de ontwikkeling was van een rationeel model voor hoeveel chemicaliën (in dit geval de chemische stof is ijs) aan te brengen om een ​​oppervlak droog te houden.

"We kennen de truc al eeuwen, "zei hij. "Je legde een lagedrukchemicaliën neer, zoals zout, en het houdt al het andere eromheen behoorlijk droog. Maar nu maken we dat effect eeuwig, en we maken de distributie rationeel."