Et nyt spin på frostvæske:Forskere skaber ultra glatte anti-is og anti-frost overflader

(Phys.org) -- Et team af forskere fra Harvard University har opfundet en måde at holde enhver metaloverflade fri for is og frost. De behandlede overflader afgiver hurtigt selv små, begyndende kondensdråber eller frost blot gennem tyngdekraften. Teknologien forhindrer iskapper i at udvikle sig på overflader - og al is, der dannes, glider ubesværet af.

Opdagelsen, udgivet online som et netop accepteret-manuskript i ACS Nano den 10 juni, har direkte implikationer for en lang række metaloverflader, såsom dem, der anvendes i kølesystemer, vindturbine, fly, marine fartøjer, og byggebranchen.

Gruppen, ledet af Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialevidenskab ved Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) og et kernefakultetsmedlem ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard, tidligere introduceret ideen om, at det var muligt at skabe en overflade, der fuldstændig forhindrede is med isafvisende belægninger, inspireret af det vandafvisende lotusblad. Alligevel kan denne teknik fejle under høj luftfugtighed, da overfladeteksturerne bliver belagt med kondens og frost.

"Manglen på nogen praktisk måde at eliminere de iboende defekter og inhomogeniteter, der bidrager til væskekondensering, pinning, fryser, og stærk vedhæftning, har rejst spørgsmålet om, hvorvidt en fast overflade (uanset dens topografi eller behandling) nogensinde kan være virkelig is-forebyggende, især ved høj luftfugtighed, frostdannende forhold, " sagde Aizenberg.

For at bekæmpe dette problem, forskerne har for nylig opfundet en radikalt anderledes teknologi, der er velegnet til både høj luftfugtighed og ekstremt tryk, kaldet SLIPS (Slippery Liquid Infused Porous Surfaces). SLIPS er designet til at afsløre en fejlfri, molekylær flad væskegrænseflade, immobiliseret af et skjult nanostruktureret fast stof. På disse ultraglatte glatte overflader både væsker og faste stoffer - inklusive vanddråber, kondensation, frost, og endda fast is - kan let glide af.

Udfordringen var at anvende denne teknologi på metaloverflader, især da disse materialer er allestedsnærværende i vores moderne verden, fra flyvinger til rækværk. Aizenberg og hendes team udviklede en måde at belægge metallet med et groft materiale, som smøremidlet kan klæbe til. Belægningen kan skulptureres fint for at låse smøremidlet og kan påføres i stor skala, på vilkårligt formede metaloverflader. Ud over, belægningen er ikke-giftig og anti-ætsende.

For at demonstrere robustheden af ​​teknologien, forskerne med succes anvendte det på køleskabets køleribber og testede det under en langvarig, dybfryse tilstand. Sammenlignet med eksisterende "frostfri" kølesystemer, deres innovation forhindrede fuldstændig frost langt mere effektivt og i længere tid.

"I modsætning til lotusblad-inspirerede isfobiske overflader, som svigter under forhold med høj luftfugtighed, SLIPS-baserede isfobiske materialer, som vores resultater tyder på, kan fuldstændig forhindre isdannelse ved temperaturer lidt under 0°C, samtidig med at isakkumulering og vedhæftning under dybfrysning reduceres dramatisk, frostdannende forhold, sagde Aizenberg.

Ud over at muliggøre effektiv fjernelse af is, teknologien sænker energiomkostningerne forbundet med flere størrelsesordener. Dermed, den let skalerbare tilgang til glatte metaloverflader giver store løfter for bred anvendelse i køle- og luftfartsindustrien og i andre højfugtige miljøer, hvor en isfobisk overflade er ønskelig.

For eksempel, når først deres teknologi er påført en overflade, is på tagene, ledninger, udendørs skilte, og vindmøller kunne nemt fjernes ved blot at vippe, let uro, eller endda vind og vibrationer.

"Denne nye tilgang til isfobe materialer er en virkelig forstyrrende idé, der tilbyder en måde at få en transformativ indvirkning på energi- og sikkerhedsomkostninger forbundet med is, og vi arbejder aktivt med køle- og luftfartsindustrien for at bringe det på markedet, sagde Aizenberg.

Aizenberg er desuden professor i kemi og kemisk biologi ved Institut for Kemi og Kemisk Biologi, og Susan S. og Kenneth L. Wallach professor ved Radcliffe Institute for Advanced Study, og direktør for Kavli Institute for Bionano Science and Technology ved Harvard. Hendes medforfattere inkluderede Philseok Kim, en teknologiudviklingsstipendiat ved Wyss Institute og SEAS; Tak-Sing Wong fra Wyss Institute og SEAS; Jack Alvarenga fra Wyss Institute; Michael J. Kreder fra Wyss Institute; og Wilmer E. Adorno-Martinez fra University of Puerto Rico.