Byder på klæbrig is, men med et gran salt

Mens amerikanerne forbereder sig på vinteren, vil mange stå over for en af ​​deres hårdeste fjender:is. Fra at forsinke fly til at gøre vejene glatte, isophobning på overflader forårsager kaos på mange måder.

Men ikke al is er skabt lige. I ny forskning fra University of Illinois Chicago har forskere undersøgt klæbrigheden af ​​is, der indeholder dagligdags forurenende stoffer som salt, sæbe og alkohol. De fleste laboratorieundersøgelser tester typisk is lavet af rent vand, men i naturen er is sjældent ren.

"Uanset om det er beskidte fortove eller skroget af arktisk-gående marineskibe, er der altid urenheder der," sagde seniorforfatter Sushant Anand, lektor i maskin- og industriteknik ved UIC. "Så det naturlige spørgsmål, der kommer til at tænke på, er:Hvilken indflydelse har disse forbindelser på, hvor stærkt is klæber til overflader?"

Anands laboratorium forberedte is med varierende koncentrationer af forurenende stoffer og testede, hvor stærkt de klamrede sig til forskellige industrielle materialer. Overraskende nok fandt de ud af, at uren is var meget mindre klistret end is lavet af rent vand under visse forhold.

Årsagen til denne glathed blev sporet tilbage til, hvordan vand fryser, når det indeholder urenheder, og den unikke struktur, hvor is rører ved et fast materiale, kaldet et kvasi-flydende lag.

"Isregionen nær et fast stof har væskelignende egenskaber, og dens tykkelse kan bidrage til, hvor tæt ispinde er," sagde Anand. "Men denne region er virkelig svær at analysere gennem eksperimenter."

Så han slog sig sammen med UIC-kollegaen Subramanian Sankaranarayanan og hans gruppe ved UIC/Argonne National Laboratory for at studere dette lag, og hvordan det ændrer sig med forskellige niveauer af urenheder ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik. De fandt ud af, at når urent vand fryser, udstøder det forurenende stoffer, der dræner langs kanaler og iskornsgrænser mod isbunden, hvor det danner et væskelag, der giver isen ekstra glathed.

"Denne indsigt kan føre til udformningen af ​​næste generations vinteriseringsteknikker, der langsomt frigiver forurenende stoffer for at fremme let isudgydelse," sagde uddannet ph.d. studerende Rukmava Chatterjee, første forfatter af papiret.

De overraskende testresultater rejste et andet spørgsmål:Hvis små saltkoncentrationer gør is mindre tilbøjelige til at klæbe til overflader, hvorfor kæmper skibe i arktiske klimaer, der sejler gennem saltvand, stadig med isdannelse?

Eksperimenter afslørede, at vandfrysningshastigheden kan påvirke, hvordan urenheder migrerer til områder, hvor is berører et fast stof. En langsom frysningsproces forårsager isolering af forurenende stoffer i koncentrerede lommer eller endda fuldstændig udvisning, hvilket producerer renere og stærkere is. Hurtigere frysning bevarer forureningen i isen og deres ophobning ved is-fast-grænsefladen, hvilket fører til svagere vedhæftning.

"Vores undersøgelse repræsenterer kun toppen af ​​isbjerget og åbner nye undersøgelseslinjer for, hvordan uren is hæfter sig med udbredte implikationer på tværs af flere discipliner," sagde Anand.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet Materials Horizons .

Flere oplysninger: Rukmava Chatterjee et al., Adhæsion af uren is på overflader, Materials Horizons (2023). DOI:10.1039/D3MH01440A

Journaloplysninger: Material Horizons

Leveret af University of Illinois i Chicago