Issikker belægning til store strukturer er afhængig af en smuk demonstration af mekanik

En ny klasse af belægninger, der uden besvær kaster is fra selv store overflader, har flyttet forskere tættere på deres årtier lange mål om at issikre fragtskibe, flyvemaskiner, elledninger og andre store strukturer.

Spray-on belægninger, udviklet ved University of Michigan, få is til at falde væk fra strukturer – uanset deres størrelse – med kun kraften fra en let brise, eller ofte vægten af ​​selve isen. En artikel om forskningen er publiceret i Videnskab .

I en test på en falsk elledning, belægningen kastede is med det samme.

Forskerne overvandt en stor begrænsning af tidligere isafvisende belægninger - mens de fungerede godt på små områder, forskere fandt i feltforsøg, at de ikke kastede is på meget store overflader så effektivt, som de havde håbet. Det er et problem, da is har en tendens til at forårsage de største problemer på de største overflader - udsugningseffektivitet, bringer sikkerheden i fare og nødvendiggør bekostelig fjernelse.

De ryddede denne forhindring med en "smuk demonstration af mekanik." Anish Tuteja, en lektor i materialevidenskab og teknik, beskrev, hvordan han og hans kolleger henvendte sig til en ejendom, der ikke er kendt inden for isforskning.

"I årtier, belægningsforskning har fokuseret på at sænke vedhæftningsstyrken - kraften pr. arealenhed, der kræves for at rive en isplade fra en overflade, " sagde Tuteja. "Problemet med denne strategi er, at jo større ispladen er, jo mere kraft kræves. Vi fandt ud af, at vi stødte op mod grænserne for lav vedhæftningsstyrke, og vores belægninger blev ineffektive, når overfladen blev stor nok."

De nye belægninger løser problemet ved at introducere en anden strategi:lav grænsefladesejhed, forkortet LIT. Overflader med lav grænsefladesejhed tilskynder til, at der dannes revner mellem is og overfladen. Og i modsætning til at bryde indlandsisens overfladeadhæsion, hvilket kræver at hele arket rives fri, en revne bryder kun overfladen fri langs dens forkant. Når det knæk starter, det kan hurtigt sprede sig over hele den isede overflade, uanset dens størrelse.

"Forestil dig at trække et tæppe hen over et gulv, sagde Michael Thouless, Janine Johnson Weins professor i ingeniørvidenskab i maskinteknik. "Jo større tæppet er, jo sværere er det at bevæge sig. Du modstås af styrken af ​​hele grænsefladen mellem tæppet og gulvet. Friktionskraften er analog med grænsefladestyrken.

"Men forestil dig nu, at der er en rynke i det tæppe. Det er nemt at blive ved med at skubbe den rynke hen over tæppet, uanset hvor stort tæppet er. Modstanden mod at udbrede rynken er analog med den grænsefladesejhed, der modstår spredningen af ​​en revne."

Thouless sagde, at begrebet grænsefladesejhed er velkendt inden for brudmekanik, hvor det understøtter produkter som laminerede overflader og klæbemiddelbaserede flyforbindelser. Men indtil nu, det var ikke blevet anvendt til isafbødning. Fremgangen kom, da Thouless hørte om Tutejas tidligere arbejde og så en mulighed.

"Traditionelt brudmekaniske forskere bekymrer sig kun om grænsefladesejhed, og isafbødningsforskere bekymrer sig ofte kun om grænsefladestyrken, " sagde Thouless. "Men begge parametre er vigtige for at forstå adhæsion.

"Jeg påpegede over for Anish, at hvis han skulle teste stigende islængder, han ville opdage, at fejlbelastningen ville stige, mens grænsefladestyrken var vigtig, men så blev plateau en gang hårdhed vigtig. Anish og hans elever prøvede eksperimenterne og endte med en virkelig smuk demonstration af mekanikken, og et nyt koncept for isadhæsion."

For at teste ideen, Tutejas team brugte en teknik, han finpudset under tidligere belægningsforskning. Ved at kortlægge egenskaberne af et stort bibliotek af stoffer og tilføje grænsefladesejhed samt adhæsionsstyrke til ligningen, de var i stand til matematisk at forudsige egenskaberne af en belægning uden behov for fysisk at teste hver enkelt. Dette satte dem i stand til at lave en bred vifte af kombinationer, hver med en specifikt skræddersyet balance mellem grænsefladesejhed og vedhæftningsstyrke.

De testede en række forskellige belægninger på store overflader - en stiv aluminiumsplade på cirka 3 fod i kvadrat, og et fleksibelt aluminiumsstykke, der er cirka 1 tomme bredt og 3 fod langt, at efterligne en kraftledning. På enhver overflade, is faldt straks af på grund af sin egen vægt. Det satte sig hurtigt fast, imidlertid, til kontrolfladerne, som var identiske i størrelse - en var ubelagt og en anden var belagt med en tidligere isfobisk belægning.

Teamets næste skridt er at forbedre holdbarheden af ​​LIT-belægningerne.