Waterafstotende oppervlakken en coatings kunnen het verwijderen van ijs een fluitje van een cent maken door ijs te dwingen op te groeien in plaats van gewoon voorbij te schaatsen, zegt een nieuwe studie van de Universiteit van Nebraska-Lincoln en verschillende Chinese instellingen.

De onderzoekers ontdekten dat ijs anders groeit op absorberende dan op waterafstotende oppervlakken, wat aantoont dat een windvlaag ijs kan wegblazen dat zich op de laatste vormt. Hun bevindingen suggereren dat het aanbrengen van waterafstotende coatings op voorruiten vóór winterstormen - of technische oppervlakken die inherent water afstoten - een sterke bries in staat zou kunnen stellen om de last van het verwijderen van ijs aan te kunnen.

Experimenten en simulaties toonden aan dat een waterdruppel op een afstotend oppervlak naar boven zal bevriezen tot een microscopische zesarmige formatie die lijkt op een geïdealiseerde sneeuwvlok, met slechts een klein deel van de basis aan het oppervlak. Dit is logisch, aangezien waterdruppels parelen in plaats van zich uit te spreiden over afstotende oppervlakken, zei Nebraska co-auteur Xiao Cheng Zeng.

In tegenstelling tot, druppels op een absorberend oppervlak kristalliseerden tot ijs dat langs dat oppervlak groeide, waardoor het moeilijker te verwijderen is. Simulaties op moleculair niveau suggereerden dat deze druppeltjes bijna onmiddellijk twee gestapelde lagen hexagonaal 2-D ijs begonnen te vormen, een vorm die Zeng eerder Nebraska Ice ontdekte en noemde. Dit ultradunne ijs stimuleert watermoleculen om er in wezen over te schaatsen en andere delen van het oppervlak te koloniseren, zei Zeng.

"Als het water en het oppervlak in het begin niet veel chemie hebben - ze mogen elkaar niet - is het een soort echtscheiding of scheiding, " zei Zeng, Chancellor's universiteitshoogleraar chemie. "Maar als ze elkaar leuk vinden, ze trouwen en blijven lang bij elkaar.

"Dan groeit het ijs langs het oppervlak. In de winter, als je dat soort ijs op een voorruit hebt, je moet een schraper gebruiken om het eraf te krijgen."

Voorwaarts of omhoog

Temperatuur en druk bepalen meestal hoe waterdruppels kristalliseren in open lucht, en die variabelen spelen een rol bij ijsvorming op vaste oppervlakken, zei Zeng. Maar de studie van het team suggereert dat de contacthoek van een oppervlak - de hoek gevormd waar een waterdruppel een vast oppervlak ontmoet - bepaalt of ijs langs of van het oppervlak zal groeien. Terwijl een hydrofiel oppervlak ervoor zorgt dat druppels zich er onder een kleine contacthoek over verspreiden, een waterafstotend hydrofoob oppervlak dwingt druppeltjes om omhoog te parelen en een grotere hoek te vormen.

"Of water op de een of andere manier bevriest, komt aan de oppervlakte, niet de temperatuur Zeng zei. "Het is bijna volledig afhankelijk van de contacthoek."

Op een defectvrij oppervlak dat in het laboratorium is vervaardigd of in een computersimulatie is gemodelleerd, ijsovergangen van langs-oppervlakte naar off-surface groei bij een contacthoek van ergens tussen 30 en 40 graden, het team gevonden. De onderzoekers ontdekten ook dat het vergroten van de ruwheid van een oppervlak door de nanoscopische poriën ervan te vergroten, deze hoekdrempel in feite verminderde, wat betekent dat ruwere oppervlakken niet zo waterafstotend hoeven te zijn om de groei van gemakkelijker te verwijderen ijs te bevorderen.

Het ijs breken

Om de twee vormen van ijsgroei te vergelijken, ontwierpen de onderzoekers een transparant oppervlak dat in twee helften is gesplitst:een hydrofiel, een hydrofoob. Vervolgens bevestigden ze een hogesnelheidscamera aan een microscoop, het vastleggen van video van de respectieve processen zowel van onder als van een zijprofiel.

Toen de onderzoekers beide helften aan pufjes lucht onderwierpen, ze ontdekten dat ijs de hydrofobe helft verliet, maar standvastig vasthield aan de hydrofiele kant. En ijs dat over de hydrofiele helft voortbewoog, stopte abrupt toen het hydrofoob gebied naderde.

"Mensen bestuderen al lang hoe water interageert met oppervlakken, lange tijd, "Zeng zei. "Maar dit fenomeen was tot nu toe van de radar."

Zeng auteur van de studie met Nebraska's Chongqin Zhu, postdoctoraal onderzoeker in de chemie; Joseph Francisco, decaan van de Hogeschool voor Kunsten en Wetenschappen; samen met collega's van de Chinese Academie van Wetenschappen, Universiteit voor Chemische Technologie van Peking, en Peking Universiteit. Het team rapporteerde zijn bevindingen in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .