Een nieuwe klasse coatings die het ijs moeiteloos van zelfs grote oppervlakken verwijdert, heeft onderzoekers dichter bij hun decennialange doel gebracht om vrachtschepen ijsbestendig te maken. vliegtuigen, hoogspanningslijnen en andere grote constructies.

De spray-on coatings, ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan, ervoor zorgen dat ijs wegvalt van constructies - ongeacht hun grootte - met slechts de kracht van een lichte bries, of vaak het gewicht van het ijs zelf. Een paper over het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap .

In een test op een nep-hoogspanningslijn, de coating wierp onmiddellijk ijs af.

De onderzoekers overwonnen een belangrijke beperking van eerdere ijsafstotende coatings - terwijl ze goed werkten op kleine gebieden, onderzoekers ontdekten bij veldtesten dat ze ijs niet zo effectief afwierpen op zeer grote oppervlakken als ze hadden gehoopt. Dat is een probleem, aangezien ijs de neiging heeft om de grootste problemen te veroorzaken op de grootste oppervlakken - ondermijningsefficiëntie, veiligheid in gevaar brengen en dure verwijdering noodzakelijk maken.

Ze namen deze hindernis weg met een 'prachtige demonstratie van mechanica'. Anish Tuteja, een universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek, beschreef hoe hij en zijn collega's zich wendden tot een eigendom dat niet zo bekend is in ijsonderzoek.

"Al decenia, coatingonderzoek heeft zich gericht op het verlagen van de adhesiesterkte - de kracht per oppervlakte-eenheid die nodig is om een ​​ijslaag van een oppervlak te scheuren, " zei Tuteja. "Het probleem met deze strategie is dat hoe groter de ijslaag, hoe meer kracht er nodig is. We ontdekten dat we tegen de limieten aanliepen van een lage hechtsterkte, en onze coatings werden ondoeltreffend zodra het oppervlak groot genoeg werd."

De nieuwe coatings lossen het probleem op door een tweede strategie te introduceren:lage grensvlaktaaiheid, afgekort LIT. Oppervlakken met een lage grensvlaktaaiheid stimuleren de vorming van scheuren tussen ijs en het oppervlak. En in tegenstelling tot het breken van de oppervlaktehechting van een ijskap, waarbij het hele vel moet worden losgescheurd, een scheur breekt alleen het oppervlak vrij langs de voorrand. Zodra die barst begint, het kan zich snel over het hele bevroren oppervlak verspreiden, ongeacht de grootte ervan.

"Stel je voor dat je een kleed over een vloer trekt, " zei Michael Thouless, de Janine Johnson Weins hoogleraar Engineering in werktuigbouwkunde. "Hoe groter het tapijt, hoe moeilijker het is om te bewegen. Je wordt tegengewerkt door de sterkte van het hele raakvlak tussen het tapijt en de vloer. De wrijvingskracht is analoog aan de grensvlaksterkte.

"Maar stel je nu voor dat er een rimpel in dat tapijt zit. Het is gemakkelijk om die rimpel over het tapijt te blijven duwen, ongeacht hoe groot het tapijt is. De weerstand tegen het voortplanten van de rimpel is analoog aan de grensvlaktaaiheid die de verspreiding van een scheur weerstaat."

Thouless zei dat het concept van grensvlaktaaiheid algemeen bekend is op het gebied van breukmechanica, waar het ten grondslag ligt aan producten zoals gelamineerde oppervlakken en op lijm gebaseerde vliegtuigverbindingen. Maar tot nu toe, het was niet toegepast bij het verminderen van ijs. De opmars kwam toen Thouless hoorde van Tuteja's eerdere werk en een kans zag.

"Traditioneel, breukmechanica-onderzoekers geven alleen om grensvlaktaaiheid, en ijsmitigatie-onderzoekers geven vaak alleen om grensvlaksterkte, Thouless zei. "Maar beide parameters zijn belangrijk voor het begrijpen van adhesie.

"Ik wees Anish erop dat als hij steeds grotere stukken ijs zou testen, hij zou ontdekken dat de faalbelasting zou toenemen terwijl grensvlaksterkte belangrijk was, maar toen het plateau eenmaal taaiheid belangrijk werd. Anish en zijn studenten probeerden de experimenten uit en eindigden met een echt mooie demonstratie van de mechanica, en een nieuw concept voor ijsaanhechting."

Om het idee te testen, Het team van Tuteja gebruikte een techniek die hij heeft aangescherpt tijdens eerder coatingonderzoek. Door de eigenschappen van een enorme bibliotheek van stoffen in kaart te brengen en grensvlaktaaiheid en hechtsterkte aan de vergelijking toe te voegen, ze waren in staat om de eigenschappen van een coating wiskundig te voorspellen zonder dat ze ze allemaal fysiek hoefden te testen. Hierdoor konden ze een breed scala aan combinaties verzinnen, elk met een specifiek op maat gemaakte balans tussen grensvlaktaaiheid en hechtsterkte.

Ze testten een verscheidenheid aan coatings op grote oppervlakken - een stijve aluminiumplaat van ongeveer 3 voet in het vierkant, en een flexibel stuk aluminium van ongeveer 1 inch breed en 3 voet lang, om een ​​hoogspanningslijn na te bootsen. Op elk oppervlak, ijs viel er meteen af ​​door zijn eigen gewicht. Het bleef snel hangen, echter, naar de stuurvlakken, die qua grootte identiek waren - de ene was ongecoat en de andere was bedekt met een eerdere ijsfobe coating.

De volgende stap van het team is het verbeteren van de duurzaamheid van de LIT-coatings.