Forskere rapporterer om ny teknik til afisning af overflader

Forskere og ingeniører har ført en stille, men bestemt kamp mod opbygning af is på infrastruktur. Et tyndt lag is på solpaneler kan skabe kaos med deres evne til at generere elektricitet. Tynde lag af is på vindmøllernes skovle kan bremse deres effektivitet.

Og et tyndt lag is på en elektrisk transmissionslinje kan være det første trin i farlig isopbygning. Det var præcis, hvad der skete i Quebec i 1998, når en ophobning af is på transmissionsledninger og tårne ​​knuste mere end 150 tårne, efterlader mere end en million mennesker uden strøm og forårsager skader på omkring 5 milliarder CDN.

Nu, et forskerhold ved Norges Universitet for Videnskab og Teknologi (NTNU) rapporterer om en ny tilgang til at forhindre isdannelse ved at revne den. "Vi synes, vi har fundet en meget interessant metode til at reducere isadhæsion, som er unik, og et gennembrud i anti-ising samfundet, " siger Zhiliang Zhang, en professor ved Institut for Konstruktionsteknik ved NTNU og leder af forskningsprojektgruppen SLICE, der opdagede teknikken. Deres tilgang er netop blevet offentliggjort i Blødt stof , en udgivelse af Royal Society of Chemistry.

Hvis du nogensinde har taget et fly om vinteren, du har næsten helt sikkert oplevet én tilgang til at forhindre is i at klæbe til en overflade, som går ud på at sprøjte afisningsvæske på et flys vinger og andre kritiske dele af flyet. Sprayen fjerner fysisk al ophobet is, men det gør også, at flyets overflade er mindre tilbøjelig til at akkumulere sne eller is (dog kun i en kort periode). I de fleste industrielle applikationer, imidlertid, såsom på en offshore rig eller et skib i Arktis, eller på vindmøller, at sprøjte frostvæske på en struktur er ikke en mulighed.

Forskere og ingeniører har således skabt stoffer, der kaldes superhydrofobe. Det betyder, at de udmærker sig ved at afvise vand. Superhydrofobe stoffer kan påføres overflader ved at sprøjte eller dyppe. Tit, de er lavet af fluorholdige kemikalier, der ikke er specielt miljøvenlige. Og forskere er ikke helt sikre på, at en superhydrofob overflade kan forblive isfri, i hvert fald i lange perioder. Det motiverede Zhang og hans kolleger på NTNU Nanomechanical Lab til at prøve en helt anden tilgang.

"Vores strategi er at leve med is, " han sagde, ved at lade det danne sig, men ved at sikre, at islagene revner væk fra overfladen og falder af. I deres bestræbelser på at finde måder at forhindre is i at klæbe til overflader, isforskere har forsøgt at manipulere fysiske kræfter for at generere grænsefladerevner på nanoskala og mikroskala.

Mange isforskere har forsøgt at skabe glatte overflader, der er afhængige af overfladekemi for at forårsage revner ved at svække atombindingerne mellem isen og overfladen. Disse overfladekemi-relaterede stoffer kaldes NACI, til nano-crack initiatorer.

På mikroskala, isforskere har indbygget mikrobuler i de overflader, de vil beskytte mod is. Disse mikrobuler kaldes mikro-revne-initiatorer, eller MICI, fordi deres ruhed fremmer mikrorevner ved kontakten mellem overfladen og isen, og begrænser isens evne til at klæbe til den behandlede overflade.

Ingen af ​​disse mekanismer er perfekte til at forhindre is i at klæbe til en overflade. Zhang og hans kolleger testede en række kommercielle og hjemmelavede belægninger, der er afhængige af NACI og MICI for at sænke isens evne til at klæbe til overfladen. De indså gradvist, at hvis de tilføjede en anden struktur under overfladen, de kunne danne store makrorevner i grænsefladen mellem overfladen og isen. De kaldte denne mekanisme MACI, til makro-crack-initiator.

Efterhånden som revnerne bliver større, det er mindre sandsynligt, at isen bliver på overfladen. På denne måde MACI har nøglen til at slippe af med isopbygning på overflader, sagde Zhang. For at teste deres idé, Zhang og hans kolleger skabte underjordiske lag, der havde mikrohuller eller søjler. Så lavede de en tynd film af et stof kaldet polydimethylsiloxan, eller PDMS, som dækkede hullet, ujævne understrukturlag.

De testede flere designs af deres MACI indre strukturer. De testede også, hvad der ville ske, hvis de brugte flere lag med indvendige huller. Forskerne blev overraskede over at opdage, at overflader, der havde MACI -understrukturer, havde isadhæsionsstyrker, der var mindst 50 procent svagere end de rene PDMS -overflader uden MACI. En overflade med det specielle MACI-design gav forskerne de resultater, de håbede på, med nogle af de laveste værdier for isadhæsion, eller klæbrighed, nogensinde målt.

"Isvedhæftningsstyrken til almindelige udendørs stål- eller aluminiumoverflader er omkring 600-1000 kPa, " sagde Zhang. "Ved at introducere det nye MACI-koncept til overfladedesignet, vi nåede den superlave isadhæsionsværdi på 5,7 kPa."

Zhang og hans kolleger har mere arbejde at gøre, når de udvikler deres idé, men de er begejstrede for, at de måske har knækket koden for at forhindre farlig isopbygning og samtidig begrænse uønskede miljøeffekter. "Traditionelle aktive afisningsteknikker... kan have store skadelige virkninger på strukturer og miljøet, " sagde Zhang. "Men passive super-lav isadhæsionsoverflader undgår alle disse skadelige virkninger. Dette er meget interessant, ikke kun for det videnskabelige samfund, og til arktiske applikationer, men for solpaneler, til skibs- og transmissionsledninger. Der er mange applikationer relateret til hverdagen."