Terwijl Amerikanen zich voorbereiden op de winter, zullen velen te maken krijgen met een van hun zwaarste vijanden:ijs. Van het vertragen van vluchten tot het glad maken van wegen, ijsophoping op oppervlakken veroorzaakt op veel manieren grote schade.

Maar niet al het ijs is gelijk geschapen. In nieuw onderzoek van de Universiteit van Illinois in Chicago bestudeerden wetenschappers de plakkerigheid van ijs dat alledaagse verontreinigingen bevat, zoals zout, zeep en alcohol. De meeste laboratoriumstudies testen doorgaans ijs gemaakt van zuiver water, maar in de natuur is ijs zelden puur.

"Of het nu vuile trottoirs zijn of de romp van marineschepen die naar de Noordpool gaan, er zijn altijd onzuiverheden", zegt senior auteur Sushant Anand, universitair hoofddocent mechanische en industriële techniek bij UIC. "Dus de natuurlijke vraag die in je opkomt is:wat is de invloed van deze verbindingen op hoe sterk ijs aan oppervlakken kleeft?"

Anands laboratorium bereidde ijs met verschillende concentraties verontreinigende stoffen en testte hoe sterk deze zich aan verschillende industriële materialen hechtten. Verrassend genoeg ontdekten ze dat onzuiver ijs onder bepaalde omstandigheden veel minder plakkerig was dan ijs gemaakt van zuiver water.

De oorzaak van deze gladheid is terug te voeren op de manier waarop water bevriest als het onzuiverheden bevat en de unieke structuur waarbij ijs een vast materiaal raakt, een zogenaamde quasi-vloeibare laag.

"Het ijsgebied in de buurt van een vaste stof heeft vloeistofachtige eigenschappen, en de dikte ervan kan bijdragen aan hoe stevig ijs blijft plakken", zei Anand. "Maar deze regio is echt moeilijk te analyseren door middel van experimenten."

Daarom werkte hij samen met UIC-collega Subramanian Sankaranarayanan en zijn groep bij UIC/Argonne National Laboratory om deze laag te bestuderen en hoe deze verandert met verschillende niveaus van onzuiverheden, met behulp van moleculaire dynamica-simulaties. Ze ontdekten dat wanneer onzuiver water bevriest, het verontreinigende stoffen uitdrijft die langs kanalen en ijskorrelgrenzen naar de ijsbasis wegvloeien, waar het een vloeistoflaag vormt die het ijs extra glad maakt.

"Deze inzichten zouden kunnen leiden tot het ontwerp van de volgende generatie winterisatietechnieken die langzaam verontreinigende stoffen vrijgeven om het gemakkelijk afstoten van ijs te bevorderen", aldus afgestudeerde Ph.D. student Rukmava Chatterjee, eerste auteur van het artikel.

De verrassende testresultaten riepen nog een vraag op:als kleine zoutconcentraties ervoor zorgen dat ijs minder snel aan oppervlakken blijft plakken, waarom hebben schepen in arctische klimaten die door zout water varen dan nog steeds last van ijsvorming?

Uit experimenten is gebleken dat de bevriezingssnelheid van water invloed kan hebben op de manier waarop onzuiverheden migreren naar gebieden waar ijs een vaste stof raakt. Een langzaam bevriezingsproces zorgt ervoor dat de verontreinigingen in geconcentreerde holtes worden geïsoleerd of zelfs volledig worden verwijderd, waardoor zuiverder en sterker ijs ontstaat. Door sneller te bevriezen blijven de verontreinigingen in het ijs en hun ophoping op het ijs-vaste grensvlak behouden, wat leidt tot een zwakkere hechting.

"Onze studie vertegenwoordigt slechts het topje van de ijsberg en opent nieuwe onderzoekslijnen naar hoe onzuiver ijs zich hecht, met wijdverbreide implicaties voor meerdere disciplines," zei Anand.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Materials Horizons .

Meer informatie: Rukmava Chatterjee et al, Hechting van onzuiver ijs op oppervlakken, Materialen Horizons (2023). DOI:10.1039/D3MH01440A

Journaalinformatie: Materiaalhorizonten

Aangeboden door de Universiteit van Illinois in Chicago