De meeste technieken om vorst- en ijsvorming op oppervlakken te voorkomen, zijn sterk afhankelijk van verhitting of vloeibare chemicaliën die herhaaldelijk opnieuw moeten worden aangebracht omdat ze gemakkelijk wegspoelen. Zelfs geavanceerde anti-ijsvormingsmaterialen hebben problemen met functioneren onder omstandigheden van hoge luchtvochtigheid en temperaturen onder nul. wanneer vorst en ijsvorming in overdrive gaan.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Universiteit van Illinois aan het Chicago College of Engineering beschrijven voor het eerst verschillende unieke eigenschappen van materialen die bekend staan ​​als faseoverschakelende vloeistoffen, of PSL's, die veelbelovend zijn als anti-ijsvormingsmaterialen van de volgende generatie. PSL's kunnen ijs- en vorstvorming tot 300 keer langer vertragen dan geavanceerde coatings die in laboratoria worden ontwikkeld. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen .

"IJs en vorst vormen een gevaar voor mensen en kunnen machines beschadigen en de functionaliteit van sommige technologieën verminderen, vooral die met betrekking tot energie en transport, dus we waren geïnteresseerd in het vinden van mogelijke manieren om hun schadelijke effecten te overwinnen, en faseschakelende vloeistoffen zijn veelbelovende kandidaten, " zei Sushant Anand, assistent-professor mechanische en industriële techniek en corresponderende auteur van het papier.

PSL's zijn een subset van faseovergangsmaterialen met smeltpunten die hoger zijn dan het vriespunt van water, dat is 0 graden Celsius, wat betekent dat ze vaste stoffen zouden zijn bij een temperatuurbereik dat dicht in de buurt komt van die waarbij water bevriest. Voorbeelden van dergelijke materialen zijn cyclohexaan, cyclooctaan, dimethylsulfoxide, glycerol, en meer.

"Bij temperaturen onder nul, alle PSL's worden solide. Dus, op een winterse dag, je zou een oppervlak kunnen coaten waar je geen ijsvorming wilt met een PSL-materiaal en het zou daar veel langer blijven dan de meeste ontdooivloeistoffen, die regelmatig opnieuw moeten worden aangebracht, " zei Rukmava Chatterjee, een doctoraatsstudent aan het UIC College of Engineering en de eerste auteur van het artikel.

Hoewel onderzoekers al heel lang op de hoogte zijn van faseovergangsmaterialen, hun unieke anti-icing en anti-frosting eigenschappen zijn niet eerder onderzocht, Chatterjee uitgelegd. Decennia geleden, Daniël Beysens, onderzoeksdirecteur van de fysica en mechanica van het heterogene medialaboratorium aan de Université de recherche Paris Sciences et Lettres en een co-auteur van het papier, had waargenomen dat wanneer materialen zoals cyclohexaan net onder hun smeltpunt werden afgekoeld, waterdruppels die condenseren op het oppervlak zouden onregelmatig bewegen.

"We hadden eerder naar deze grillige beweging gekeken, en we hadden aangetoond dat het afkomstig was van het smelten van het cyclohexaan, veroorzaakt door de warmte die vrijkwam in deze materialen tijdens condensatie van waterdruppels, ' zei Anand.

In hun huidige onderzoek Anand en Chatterjee koelden een reeks PSL's af tot -15 graden Celsius, waardoor ze allemaal solide zijn. Onder omstandigheden met een hoge luchtvochtigheid, ze merkten dat de gestolde PSL's direct onder en in de directe omgeving van waterdruppels die op de PSL's condenseerden, smolten.

"We verwachtten dat de grillige beweging van de druppel zou stoppen als het oppervlak afkoelde tot -15C. Maar tot onze verbazing, we ontdekten dat de druppels dezelfde hoppende beweging bleven vertonen, zelfs bij zeer lage temperaturen, " zei Anand. "Het blijkt dat PSL's buitengewoon bedreven zijn in het vasthouden van deze vrijgekomen warmte.

"Deze kwaliteit, in combinatie met het feit dat gecondenseerde waterdruppels extreem mobiel worden op deze gekoelde PSL's, betekent dit dat de vorming van vorst aanzienlijk wordt vertraagd. Ja, op een bepaald moment, ijs vormt zich uiteindelijk en dat is onvermijdelijk, maar sommige van de PSL's die we hebben getest, zijn oplosbaar in water, en dit draagt ​​bij aan hun antivrieseigenschappen en kan ijsvorming veel langer vertragen dan zelfs de geavanceerde anti-ijsvormingscoatings."

Anand en Chatterjee zagen hetzelfde vorstvertragende effect met de PSL's, zelfs wanneer ze als extreem dunne lagen op objecten werden aangebracht.

"In onze eerste reeks experimenten, de PSL-coating die we gebruikten was ongeveer 3 millimeter dik. Maar we hebben ze ook getest als zeer dunne coatings, als een film, en zag nog steeds hetzelfde bevriezingsvertragingseffect, "Zei Anand. "Dit betekent dat we mogelijk PSL's kunnen gebruiken om objecten zoals autoruiten of turbinebladen te coaten zonder afbreuk te doen aan de functionaliteit van het object."

Bij verdere experimenten, de onderzoekers ontdekten dat PSL's een breed scala aan optische transparanten hebben, kan zichzelf herstellen na te zijn bekrast en kan vloeibare verontreinigingen verwijderen.

"De unieke eigenschappen van PSL's, die we voor het eerst in dit artikel beschrijven, ze uitstekende kandidaten maken voor materialen van de volgende generatie om vorst- en ijsontwikkeling op oppervlakken te voorkomen, ' zei Anand.

Because PSLs are solids at low temperatures, he anticipates that they wouldn't need to be applied as often as liquid anti-icing agents because they would have better staying power.

"But, natuurlijk, we need to conduct additional experiments to determine their limits and figure out if there are ways we can further maximize their ice/frost-repelling abilities, " hij zei.