Bladinspireret overflade forhindrer frostdannelse

Forskere fra Northwestern University opdagede en ny måde at reducere frostdannelsen på enhver overflade markant. Opdagelsen kan hjælpe med at reducere mængden af ​​energi, der er nødvendig til afrimning og kan potentielt resultere i færre aflyste flyvninger, som kan jordes af selv det mindste lag frost.

Ved at justere teksturen af ​​ethvert materiales overflade, holdet var i stand til eksperimentelt at reducere frostdannelsen med op til 60 %. Overfladestrukturen i millimeterskala indeholder en optimeret, takkede række af toppe og dale, som forskerne observerede i naturen. Med denne struktur, holdet viste også teoretisk, at frostdannelse kunne reduceres med op til 80 %.

"Denne idé kom fra at se på blade, " sagde Northwesterns Kyoo-Chul Park, der ledede undersøgelsen. "Der er mere frostdannelse på de konvekse områder af et blad. På de konkave områder (årerne), vi ser meget mindre frost. Vi fandt ud af, at det er geometrien - ikke materialet - der styrer dette."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort i dag (10. marts) i Proceedings of the National Academy of Sciences . Park er assisterende professor i maskinteknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering.

Folk, der bor i kolde klimaer, er alt for fortrolige med frost. Det dannes, når fugtig luftdamp eller kondens kommer i kontakt med en overflade, der er under frysepunktet.

Hver vinter, folk skraber det af deres biler eller bekymrer sig om, at det dræber deres planter. Men frost er mere end en gene. Frost på flyvinger kan skabe modstand, gør flyvning farlig eller endda umulig. Og, ved ophobning i frysere og køleskabe, frost reducerer i høj grad energieffektiviteten i apparater.

Men der dannes ikke frost på alt. For genstande, såsom blade, der har rislende geometri, frost dannes på toppene, men sjældent i dalene.

"Folk har bemærket dette i flere tusinde år, " sagde Park. "Bemærkelsesværdigt, der var ingen forklaring på, hvordan disse mønstre dannes."

Gennem eksperimentelt arbejde og beregningssimuleringer, Park og hans samarbejdspartnere fandt ud af, at kondensering forstærkes på toppene og undertrykkes i dalene af bølgede overflader. Den lille mængde kondensvand i dalene fordamper derefter, resulterer i et frostfrit område. Selv når Park brugte et overflademateriale, der tiltrækker vand, vandet fordampede stadig fra dalene, når det var under frysepunktet.

Park brugte denne nye information til at finde den optimale overfladetekstur for at forhindre frostdannelse. Vinderfladen indeholder millimeter høje toppe og dale med små (40-60 grader) vinkler imellem.

Selvom der stadig dannes en tynd frostlinje på toppen af ​​overfladetopografien, den kan afrimes med betydeligt mindre energi. Det omgår også behovet for at bruge væsker med lavere frostpunkter eller overfladebelægninger, som nemt kan ridses.

"Den frostfrie region starter afrimningsprocessen, " sagde Park. "Så det ville reducere de materialer og energi, der bruges til at løse frostproblemer. Alt, hvad vi skal gøre, er at give andre retningslinjer for at designe disse takkede overflader."