Nanostrukturerede materialer frastøder vanddråber, før de har mulighed for at fryse (m/ video)

(PhysOrg.com)-Ingeniører fra Harvard University har designet og demonstreret isfrie nanostrukturerede materialer, der bogstaveligt talt afviser vanddråber, før de overhovedet har mulighed for at fryse.

Fundet, rapporteret online i ACS Nano den 9. november, kunne føre til en ny måde at holde flyvinger på, bygninger, elledninger, og endda hele motorveje fri for is under det værste vintervejr. I øvrigt, at integrere anti-is-teknologi direkte i et materiale er mere effektivt og bæredygtigt end konventionelle løsninger som kemiske sprays, salt, og opvarmning.

Et team ledet af Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og et kernemedlem af Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard, fokuseret på at forebygge frem for at bekæmpe isopbygning.

"Vi ønskede at tage en helt anden tack og design materialer, der iboende forhindrer isdannelse ved at afvise vanddråberne, " siger Aizenberg. "Fra tidligere undersøgelser, vi indså også, at dannelsen af ​​is ikke er en statisk hændelse. Den afgørende tilgang var at undersøge hele den dynamiske proces med, hvordan dråber påvirker og fryser på en afkølet overflade. "

Til første inspiration, forskerne vendte sig mod nogle elegante løsninger set i naturen. For eksempel, myg kan tåge deres øjne, og vandløbere kan holde deres ben tørre takket være en række små børstehår, der frastøder dråber ved at reducere overfladearealet, hver enkelt møder.

"Frysning starter med, at dråber støder sammen med en overflade, " forklarer Aizenberg. "Men meget lidt er kendt om, hvad der sker, når dråber rammer overflader ved lave temperaturer."

For at få en detaljeret forståelse af processen, forskerne så højhastighedsvideoer af superkølede dråber, der ramte overflader, der var modelleret efter dem, der findes i naturen. De så, at når en kold dråbe rammer den nanostrukturerede overflade, det breder sig først ud, men så kører processen omvendt:dråben trækker sig tilbage til en sfærisk form og hopper tilbage fra overfladen, før den nogensinde har en chance for at fryse.

Derimod på en glat overflade uden de strukturerede egenskaber, en dråbe forbliver spredt ud og fryser til sidst.

"Vi fremstillede overflader med forskellige geometrier og funktionsstørrelser - børster, knive, og sammenkoblede mønstre som honningkager og mursten - for at teste og forstå parametre, der er kritiske for optimering, " siger Lidiya Mishchenko, en kandidatstuderende i Aizenbergs laboratorium og førsteforfatter til papiret.

Brugen af ​​sådanne præcist konstruerede materialer gjorde det muligt for forskerne at modellere den dynamiske adfærd for påvirkende dråber med et fantastisk detaljeringsniveau, fører dem til at skabe et bedre design til isforebyggende materialer.

En anden vigtig fordel ved at teste en lang række strukturer, Mishchenko tilføjer, var, at det gav teamet mulighed for at optimere til trykstabilitet. De opdagede, at strukturerne bestående af indbyrdes forbundne mønstre var ideelle til stabile, væskeafvisende overflader, der kan modstå dråbesammenstød, såsom dem, der støder på i kørende regn eller med fly under flyvning.

De nanostrukturerede materialer forhindrer dannelsen af ​​is selv ned til temperaturer helt ned til -25 til -30 grader Celsius. Under det, på grund af det reducerede kontaktområde, der forhindrer dråberne i at fugte overfladen fuldstændigt, enhver is, der dannes, klæber ikke godt og er meget lettere at fjerne end de genstridige plader, der kan dannes på flade overflader.

"Vi ser denne tilgang som et radikalt og tiltrængt skift i anti-is-teknologier, " siger Aizenberg. "Konceptet med friktionsfri overflader, der afbøjer superkølede vanddråber, før iskernedannelse overhovedet kan forekomme, er mere end blot en teori eller et proof-of-princip-eksperiment. Vi er begyndt at teste denne lovende teknologi i virkelige omgivelser for at give en omfattende ramme til optimering af disse robuste isfrie overflader til en bred vifte af applikationer, som hver især kan have et specifikt sæt præstationskrav."

I sammenligning med traditionelle isforebyggelses- eller fjernelsesmetoder som saltning eller opvarmning, tilgangen til nanostrukturerede materialer er effektiv, ikke giftig, og miljøvenlig. Yderligere, når kemikalier bruges til at afisne et fly, for eksempel, de kan skylles væk i miljøet, og deres bortskaffelse skal overvåges nøje. Tilsvarende salt på veje kan føre til korrosion og afstrømningsproblemer i lokale vandkilder.

Forskerne forventer, at med deres forbedrede forståelse af isdannelsesprocessen, en ny type belægning integreret direkte i en række forskellige materialer kan snart udvikles og kommercialiseres.