Dejlig is, måske:Undersøgelse finder, at vandafvisende overflader letter isfjernelse

Vandafvisende overflader og belægninger kan gøre isfjernelse til en bogstavelig brise ved at tvinge is til at vokse op frem for bare at skate forbi, siger en ny undersøgelse fra University of Nebraska-Lincoln og flere kinesiske institutioner.

Forskerne opdagede, at is vokser forskelligt på absorberende kontra vandafvisende overflader, demonstrerer, at et vindstød kan blæse is, der dannes på sidstnævnte, væk. Deres fund tyder på, at påføring af vandafvisende belægninger på forruder før vinterstorme - eller tekniske overflader, der iboende afviser vand - kunne muliggøre en stærk brise til at håndtere byrden ved isfjernelse.

Eksperimenter og simuleringer viste, at en vanddråbe på en frastødende overflade vil fryse opad i en mikroskopisk seksarmet formation, der ligner et idealiseret snefnug, med kun en lille del af bunden klæbet til overfladen. Dette er fornuftigt i betragtning af, at vanddråber perler op frem for at sprede sig ud over afvisende overflader, sagde Nebraska-medforfatter Xiao Cheng Zeng.

I modsætning, dråber på en absorberende overflade krystalliseret til is, der voksede langs denne overflade, gør det vanskeligere at fjerne. Simuleringer på molekylært niveau foreslog, at disse dråber næsten øjeblikkeligt begyndte at danne to stablede lag af sekskantet 2-D is, en form, som Zeng tidligere opdagede og kaldte Nebraska Ice. Denne ultratynde is tilskynder vandmolekyler til i det væsentlige at skate på tværs af det og kolonisere andre områder af overfladen, Sagde Zeng.

"Hvis vandet og overfladen ikke har meget kemi i starten - de kan ikke lide hinanden - er det lidt som en skilsmisse eller adskillelse, "sagde Zeng, Kansleruniversitetets professor i kemi. "Men hvis de kan lide hinanden, de gifter sig og bliver sammen i lang tid.

"Det er, når isen vokser langs overfladen. Om vinteren hvis du har den slags is på en forrude, du skal bruge en skraber for at få den af. "

Fremad eller opad

Temperatur og tryk dikterer for det meste, hvordan vanddråber krystalliserer i det fri, og disse variabler spiller en rolle i isdannelse på faste overflader, Sagde Zeng. Men teamets undersøgelse tyder på, at en overflades kontaktvinkel - den vinkel, der dannes, hvor en vanddråbe møder en fast overflade - afgør, om is vil vokse langs eller uden for overfladen. Mens en hydrofil overflade tillader dråber at sprede sig over den i en lille kontaktvinkel, en vandafvisende hydrofob overflade vil tvinge dråber til at perle op og danne en større vinkel.

"Uanset om vand fryser på den ene eller anden måde er op til overfladen, ikke temperaturen, "Zeng sagde." Det er næsten helt afhængigt af kontaktvinklen. "

På en fejlfri overflade fremstillet i laboratoriet eller modelleret i en computersimulering, is overgår fra langs overflade til vækst uden for overfladen i en kontaktvinkel på et sted mellem 30 og 40 grader, fandt teamet. Forskerne opdagede også, at øget ruhed af en overflade ved at forstørre dens nanoskopiske porer faktisk reducerede denne kantede tærskel, hvilket betyder, at grovere overflader ikke behøver at være lige så vandafvisende for at fremme væksten af ​​is, der er lettere at fjerne.

Bryde isen

For at sammenligne de to former for isvækst, forskerne designede en gennemsigtig overflade opdelt i halvdele:en hydrofil, en hydrofob. De fastgjorde derefter et højhastighedskamera til et mikroskop, optagelse af video af de respektive processer både nedenunder og fra en sideprofil.

Da forskerne udsatte begge halvdele for luftstød, de fandt ud af, at is forlod den hydrofobe halvdel, men holdt fast ved den hydrofile side. Og is, der avancerede over den hydrofile halvdel, stoppede pludselig, da den nærmede sig hydrofobt territorium.

"Folk har længe undersøgt, hvordan vand interagerer med overflader, lang tid, "Zeng sagde." Men dette fænomen var fra radaren indtil nu. "

Zeng forfattede undersøgelsen med Nebraskas Chongqin Zhu, postdoktor i kemi; Joseph Francisco, dekan for College of Arts and Sciences; sammen med kolleger fra det kinesiske videnskabsakademi, Beijing University of Chemical Technology, og Peking University. Holdet rapporterede sine resultater i journalen Procedurer fra National Academy of Sciences .