(PhysOrg.com) -- Ingenieurs van Harvard University hebben ijsvrije nanogestructureerde materialen ontworpen en gedemonstreerd die waterdruppels letterlijk afstoten voordat ze zelfs maar de kans krijgen om te bevriezen.

de bevinding, online gemeld in ACS Nano op 9 november, zou kunnen leiden tot een nieuwe manier om vliegtuigvleugels te behouden, gebouwen, stroomkabels, en zelfs hele snelwegen ijsvrij tijdens het slechtste winterweer. Bovendien, het integreren van anti-ijstechnologie in een materiaal is efficiënter en duurzamer dan conventionele oplossingen zoals chemische sprays, zout, en verwarming.

Een team onder leiding van Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professor of Materials Science aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en een kernlid van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan Harvard, gericht op het voorkomen in plaats van het bestrijden van ijsvorming.

"We wilden een heel andere aanpak kiezen en materialen ontwerpen die inherent ijsvorming voorkomen door de waterdruppels af te weren, " zegt Aizenberg. "Uit eerdere studies, we realiseerden ons ook dat de vorming van ijs geen statische gebeurtenis is. De cruciale benadering was om het hele dynamische proces te onderzoeken van hoe druppeltjes inslaan en bevriezen op een onderkoeld oppervlak."

Voor de eerste inspiratie, de onderzoekers wendden zich tot enkele elegante oplossingen die in de natuur te zien zijn. Bijvoorbeeld, muggen kunnen hun ogen ontwasemen, en schaatsenrijders kunnen hun benen droog houden dankzij een reeks kleine borstelharen die druppeltjes afstoten door het oppervlak te verkleinen dat ze tegenkomen.

"Bevriezing begint met druppeltjes die op een oppervlak botsen, " legt Aizenberg uit. "Maar er is heel weinig bekend over wat er gebeurt als druppeltjes oppervlakken raken bij lage temperaturen."

Om een ​​gedetailleerd inzicht te krijgen in het proces, de onderzoekers keken naar high-speed video's van onderkoelde druppeltjes die oppervlakken raken die waren gemodelleerd naar die in de natuur. Ze zagen dat wanneer een koude druppel het nanogestructureerde oppervlak raakt, het verspreidt zich eerst, maar dan verloopt het proces in omgekeerde volgorde:de druppel trekt zich terug in een bolvorm en stuitert terug van het oppervlak voordat hij ooit de kans krijgt om te bevriezen.

Daarentegen, op een glad oppervlak zonder de gestructureerde eigenschappen, een druppel blijft uitgespreid en bevriest uiteindelijk.

"We hebben oppervlakken gefabriceerd met verschillende geometrieën en afmetingen:borstelharen, messen, en onderling verbonden patronen zoals honingraten en bakstenen - om parameters te testen en te begrijpen die essentieel zijn voor optimalisatie, " zegt Lidiya Mishchenko, een afgestudeerde student in het laboratorium van Aizenberg en eerste auteur van het artikel.

Het gebruik van dergelijke nauwkeurig ontworpen materialen stelde de onderzoekers in staat om het dynamische gedrag van inslaande druppeltjes op een verbazingwekkend detailniveau te modelleren, waardoor ze een beter ontwerp hebben gemaakt voor materialen die ijs voorkomen.

Een ander belangrijk voordeel van het testen van een grote verscheidenheid aan structuren, Mishchenko voegt toe, was dat het het team in staat stelde te optimaliseren voor drukstabiliteit. Ze ontdekten dat de structuren die waren samengesteld uit onderling verbonden patronen bij uitstek geschikt waren voor stabiele, vloeistofafstotende oppervlakken die bestand zijn tegen botsingen met druppeltjes, zoals die bij slagregen of door vliegtuigen tijdens de vlucht.

De nanogestructureerde materialen voorkomen de vorming van ijs, zelfs bij temperaturen van -25 tot -30 graden Celsius. Daaronder, vanwege het verminderde contactoppervlak dat voorkomt dat de druppels het oppervlak volledig bevochtigen, ijs dat zich vormt, hecht niet goed en is veel gemakkelijker te verwijderen dan de hardnekkige vellen die zich op vlakke oppervlakken kunnen vormen.

"We zien deze aanpak als een radicale en broodnodige verschuiving in anti-ijstechnologieën, ", zegt Aizenberg. "Het concept van wrijvingsvrije oppervlakken die onderkoelde waterdruppels afbuigen voordat ijskiemvorming kan optreden, is meer dan alleen een theorie of een proof-of-principle-experiment. We zijn begonnen deze veelbelovende technologie in de praktijk te testen om een ​​uitgebreid raamwerk te bieden voor het optimaliseren van deze robuuste ijsvrije oppervlakken voor een breed scala aan toepassingen, die elk een specifieke reeks prestatie-eisen kunnen hebben."

In vergelijking met traditionele methoden om ijs te voorkomen of te verwijderen, zoals zouten of verhitten, de benadering van nanogestructureerde materialen is efficiënt, niet giftig, en milieuvriendelijk. Verder, wanneer chemicaliën worden gebruikt om een ​​vliegtuig ijsvrij te maken, bijvoorbeeld, ze kunnen in het milieu worden weggespoeld en de verwijdering ervan moet zorgvuldig worden gecontroleerd. evenzo, Zout op wegen kan leiden tot corrosie en afspoelproblemen in lokale waterbronnen.

De onderzoekers verwachten dat met hun beter begrip van het ijsvormingsproces, een nieuw type coating dat rechtstreeks in een verscheidenheid aan materialen is geïntegreerd, zou binnenkort kunnen worden ontwikkeld en gecommercialiseerd.