Springende frostkrystaller:Lab arbejder hen imod elektrostatisk afisning

Hvis du nogensinde har stået op en vintermorgen og kastet dig ud i den besværlige opgave at skrabe frost fra en forrude, et Virginia Tech-laboratorium engagerer videnskab [IS1], der kan gøre dit liv meget lettere. I forskning finansieret af National Science Foundation, Lektor Jonathan Borekyo har ledet et team i at udvikle en potentiel løsning til frostfjernelse ved hjælp af elektrostatik.

Når vandet fryser, positivt ladede protoner og negativt ladede elektroner adskilles. Frosne iskrystaller bliver elektrificerede, når toppen af ​​frosten bliver varmere end bunden af ​​frosten. Dette får ladede ioner til at bevæge sig fra top til bund (varm til kold), men det viser sig, at de positive ioner kan migrere hurtigere. Toppen af ​​frosten ender med at blive negativt ladet, mens bunden er mere positivt ladet, et begreb kendt som ladningsadskillelse.

Ladningsadskillelse i frost er tidligere blevet undersøgt, men effekten er aldrig blevet udnyttet til at fjerne frosten fra dens overflade. Boreykos naturinspirerede væsker og grænseflader satte sig for at udfylde dette hul. Holdet startede med kunstigt at skabe frost på en overflade. De suspenderede derefter en film vand over frosten ved hjælp af filterpapir. Modsætninger tiltrækkes, så den negativt ladede top af frostdækken tiltrak de positive ioner i vandet. Dette genererede et elektrisk felt, der udøvede en tiltrækkende kraft på frostdækken.

Ved hjælp af et højhastighedskamera, holdet observerede frostpartikler, der brækkede af deres substrat og hoppede mod den modstående vandfilm. Frost blev dyrket på både metal- og glasoverflader, hvilket indikerer, at den springende frost-effekt er mulig uanset de termiske og elektriske egenskaber af objektet, der holder vandet.

Med disse data i hånden, holdet bevæger sig til større skalaer i deres test. Ispartiklerne i dette eksperiment var meget små i størrelse, hver kun et par millimeter eller mindre. Boreykos team arbejder på at fjerne store isplader ved at øge mængden af ​​ladning, der kommer nær frosten. Ved at erstatte varmt vand med aktivt ladede elektroder, de små frostspring kunne blive til storstilede isevakueringer.

"Hvis vi kan forstærke denne elektrostatiske afisningseffekt, sådan at hele is- eller frostplader øjeblikkeligt rives væk fra deres overflade, det kunne være en game-changer for fly- og HVAC-industrien, " sagde Borekyo.

Disse resultater blev offentliggjort i ACS Nano . Artiklens hovedforfatter var Ranit Mukherjee, en kandidatstuderende i Boreykos laboratorium.