Verdens første passive anti-frosting overflade bekæmper is med is

Intet forudsiger vinterens komme som frost på forruder.

Mens ulejligheden ved at skrabe eller afrime bilruder kan definere kolde morgener for mange bilister, afgiften frost tager på den større økonomi er mere end blot en gene. Fra forsinkede fly til strømafbrydelser, isopbygning kan koste forbrugere og virksomheder milliarder af dollars hvert år i tabt effektivitet og mekanisk nedbrud.

Ny forskning fra Virginia Tech, udgivet i denne uge i ACS anvendte materialer og grænseflader , håber at ændre det. Med verdens første demonstration af en passiv anti-frosting overflade, undersøgelsen giver et proof of concept til at holde overflader 90 procent tørre og frostfrie på ubestemt tid – alt sammen uden kemikalier eller energiinput.

"Frostning er et stort problem, og forskere har arbejdet på at løse dette problem i årevis, " sagde Farzad Ahmadi, en ph.d.-studerende i Virginia Tech's Department of Biomedical Engineering and Mechanics i College of Engineering og undersøgelsens hovedforfatter.

Ahmadi forklarede, at traditionelle tilgange til frostbekæmpelse har været afhængige af anvendelsen af ​​frostvæskekemikalier eller energiinput, som varme. Selv den ældgamle metode til at kaste salt ned på veje er i bund og grund en kemisk behandling. Andre nyere fremskridt omfatter specielle belægninger til overflader, der forhindrer frostdannelse, men disse belægninger er ikke holdbare og har en tendens til at slides let af.

"Til dette projekt, vi bruger ikke nogen form for speciel belægning, kemikalier, eller energi til at overvinde frost, " sagde Ahmadi. "I stedet bruger vi isens unikke kemi til at forhindre frost i at danne sig."

Ved at bruge en enkel tilgang til design, forskerne skabte deres anti-frosting overflade på ubehandlet aluminium ved at mønstre isstriber på en mikroskopisk række af forhøjede riller. De mikroskopiske riller fungerer som offerområder, hvor der dannes striber af bevidst is og skaber lavtrykszoner. Disse lavtryksområder trækker nærliggende fugt fra luften til den nærmeste isstribe, holde de overlappende mellemområder fri for frost, selv i fugtigt, underfrysningsforhold.

Disse offerisstriber udgør kun 10 procent af materialets overfladeareal, efterlader de resterende 90 procent helt tørre.

"Den virkelige kraft af dette koncept er, at isstriberne selv er kemien, hvilket betyder, at det materiale, vi bruger, er irrelevant, " sagde Jonathan Boreyko, en adjunkt ved Institut for Biomedicinsk Teknik og Mekanik. "Så længe du har det rigtige mønster af offeris, det materiale, du bruger, kan være stort set alt. Så der er rigtig mange muligheder."

Forskerne ser umiddelbare anvendelser af teknologien i HVAC-industrien, hvor de udendørs komponenter i varmevekslere (som varmepumper og ventilatorsystemer) allerede anvender et mønster af mikrofinner på deres overflader. Producenterne skal blot anvende det rigtige mønster af riller på disse finner for at forhindre frost i at opbygge sig inde i systemerne.

Andre applikationer omfatter rumfartsmaterialer, som flyvinger. Og ja, med lidt mere udvikling, bilruder er også en mulighed for anti-frost-teknologien, som allerede har fået fuldt patent.

Ud over dets hidtil usete anti-frost-egenskaber, teknologien kan have yderligere fordele:Den kan hjælpe med at opveje traditionelle metoder til bekæmpelse af is, som har foruroligende konsekvenser for miljøet. For eksempel, det tager tusindvis af liter frostvæskekemikalier at afrime vingerne på et fly for en enkelt flyvning. Disse kemikalier løber ud i grundvandet, bliver spredt ud i luften som små dråber, og kan have varige virkninger på vegetation og dyreliv – selv mennesker.

"Det gode ved is er, at det er miljøvenligt, " sagde Ahmadi. "Det er ikke som andre kemikalier eller endda salt, som ikke kun hænger ved, men også bliver fortyndet eller udvandet med tiden."

Boreyko sagde, at et af undersøgelsens vigtigste bidrag var udviklingen af ​​en rationel model for, hvor meget kemikalie (i dette tilfælde, kemikaliet er is) at påføre for at holde en overflade tør.

"Vi har kendt tricket i århundreder, " sagde han. "Du lægger et lavtrykskemikalie ned, som salt, og det holder alt andet omkring det ret tørt. Men nu gør vi den effekt evig, og vi gør distributionen rationel."