IJsvorming en -accumulatie vormen een uitdaging voor verschillende industriële toepassingen, waaronder systemen voor verwarming, ventilatie, airconditioning en koeling (HVAC&R), vliegtuigen, energie transmissie, en transportplatforms. Vorstvorming op warmtewisselaars, bijvoorbeeld, vermindert de efficiëntie van de warmteoverdracht en resulteert in aanzienlijke economische verliezen. Bovendien, ontdooi- en ontdooitechnieken zijn energie-intensief, waarbij grote massa's ijs volledig moeten worden gesmolten en oppervlakken moeten worden gereinigd van overgebleven water tijdens cyclische werking, het maken van frosting-ontdooiing een probleem van meerdere miljarden dollars in de V.S.

Nenad Miljkovic, samen met onderzoekers in zijn groep, hebben een manier ontdekt om het ontdooien van ijs en rijp op warmtewisselaars aanzienlijk te verbeteren. Hun bevindingen, "Dynamisch ontdooien op superhydrofobe en biphilic oppervlakken, " zijn gepubliceerd in Materie .

Het ontdooien van warmtewisselaars is een zeer inefficiënt proces. Veelvoorkomende ontdooimethoden vereisen niet alleen veel energie om de rijp te doen smelten, maar ook extra energie om gesmolten water van het bevochtigbare oppervlak te verdampen. Onderzoekers hebben in het verleden het gebruik van niet-bevochtigbare oppervlakken (hydrofoob of superhydrofoob) onderzocht om bevriezing te vertragen en ijsaanhechting te verminderen, wat inderdaad de ontdooiprestaties verbetert. Echter, waterretentie blijft op dergelijke warmtewisselaars aanwezig tijdens vorst, ontdooien, en opnieuw bevriezen cycli.

In een poging om waterretentie te elimineren, Miljkovic en een team onder leiding van afgestudeerde student Yashraj Gurumukhi en postdoctoraal wetenschapper Dr. Soumyadip Sett bestudeerden dynamische ontdooiing op heterogene oppervlakken met ruimtelijk verschillende domeinen van bevochtigbaarheid, bekend als biphilic oppervlakken. Deze bifiele oppervlakken hebben afwisselend superhydrofobe (waterafstotende) en hydrofiele (waterminnende) gebieden. Door optische beeldvorming, toonden de onderzoekers aan dat tijdens het ontdooien, de ijslaag op een superhydrofoob gebied smelt tot een zeer mobiele slush, die door oppervlaktekrachten naar de hydrofiele gebieden wordt getrokken. Deze mobiliteit maakt het mogelijk om sneeuwbrij uit de superhydrofobe gebieden te verwijderen voordat het volledig smelt, waardoor het oppervlak wordt gereinigd. Water wordt dan beperkt tot hydrofiele gebieden, waar het door het grotere contactoppervlak snel verdampt.

Aanvullend, om het ontwerp van hun biphilic oppervlakken te optimaliseren en de effecten van patroonheterogeniteit te begrijpen, het team bestudeerde op bananenblad geïnspireerde vertakte bifiele patronen om te bepalen of dit de reinigingstijd zou verkorten. Ze merkten op dat binaire bifiele ontwerpen eenvoudiger te vervaardigen waren in vergelijking met vertakte ontwerpen en betere oppervlaktereinigingsprestaties boden tijdens het ontdooien.

"Ontdooicycli vereisen dat systemen worden uitgeschakeld, de vorst is volledig gesmolten, en oppervlakken schoongemaakt voordat u het systeem opnieuw opstart, veel tijd en energie kosten. Het verbeteren van de reinigingsefficiëntie door gebruik te maken van biphilic oppervlakken met bevochtigingspatroon kan de uitvaltijd van het systeem en de ontdooi-energie-invoer verminderen, waardoor de algehele efficiëntie toeneemt, ' zei Miljkovic.

In werkelijkheid, in combinatie met geschikte grootschalige productiemethoden, bifiele oppervlakken hebben het potentieel om beter te presteren dan homogene oppervlakken in termen van verbeterde warmteoverdracht en energievereisten.

Hun werk biedt niet alleen fundamentele ontwerprichtlijnen voor het vervaardigen van biphilic oppervlakken, het illustreert de rol van bevochtigingsgradiënten op de ontdooidynamiek. Toekomstig werk van de onderzoekers zal de ontdooitijd verder verkorten door kritieke knelpunten in het proces te identificeren en ontwerpmethodologieën te bieden om effectieve ontdooiverhogende oppervlakken voor industriële toepassingen te creëren.