211service.com
Ytor som håller isen borta
Is är ett farligt faktum i vinterlivet, som spelar förödelse med vägar, elledningar, byggnader och flygresor. Konventionella metoder för att bli av med isen, som direkt uppvärmning, applicering av salt eller användning av kemikalier för att utlösa smältning, har alla skyldigheter: de kan fräta materialet de appliceras på och skada miljön, och de är bara blygsamma eller tillfälligt i kraft. Men Harvard-forskare säger att de har skapat material som kan förhindra is från att bildas på ytor i första hand.
Håll isen: Konventionella ytor tillåter isdroppar (vänster) att gripa tag och bilda ark (mitten), men nanoskala grovhet på ytan förhindrar is från att bildas.
Forskarna säger deras genombrott, rapporterade i senaste numret av ACS Nano , skulle kunna gälla inte bara för flyg utan även för vägbeläggning, konstruktion, kraftöverföring och praktiskt taget vilken annan industri som helst där kemisk och fysisk avisning är ett problem. Det vi vill göra är att det inte bildas is alls, säger Joanna Aizenberg, materialvetare och ledare för projektet.
Den här historien var en del av vårt novembernummer 2011
- Se resten av frågan
- Prenumerera
När en begynnande isdroppe träffar en konventionell yta breder den sig ut och greppar och blir en bas för hopsamling av fler droppar och i slutändan ett isark. Men Aizenbergs ytor är superhydrofoba, vilket bokstavligen betyder mycket rädd för vatten. De innehåller geometriska mönster i mikron, inklusive stolpar, tegelstenar och andra strukturer, som får droppar att studsa iväg innan de kan fästa. Nyckelfunktionen är att vi designar dessa strukturer så att de är nästan friktionsfria, förklarar Aizenberg. Dropparna avleds effektivt innan isbildning kan inträffa.
I tester har Aizenberg och hennes kollegor funnit att deras material motstår isansamling tills temperaturen sjunker till cirka -30°C. Det är mycket kallare än nästan alla industriella miljöer, konstaterar hon. Även vid ultralåga temperaturer, när isavstötningen börjar bryta ner, är inte allt förlorat. Isen som bildas har ett svagt grepp och kräver en liten bråkdel – mindre än 10 procent – av den normala kraft som behövs för att ta bort den från traditionella ytor. Det är väldigt lätt att ta av sig eftersom det bara kommer i kontakt med ytan vid spetsen av dessa nanostrukturerade funktioner, säger Aizenberg. Det kan tas bort bara genom luftflödet.
Nanostrukturerna kan etsas eller gjutas till metall, gummi eller andra ämnen, tillägger Aizenberg, vars grupp har ansökt om patent på metoden och planerar att kommersialisera den. Det är inte klart hur mycket det skulle kosta att lägga till ismotstånd på en given yta, säger Aizenberg, men hon förutspår att det kommer att vara tillräckligt lågt för att inte avskräcka från användningen. Det återstår också att testa om en ytapplicering av nanostrukturerna skulle kräva periodisk uppfräschning. Hennes team genomför studier i vindtunnlar för att se hur hållbara materialen är, och analyserar deras förmåga att motstå höga hastigheter och andra verkliga påfrestningar.
Även om flygplan är en självklar destination för isblockerande material, säger Aizenberg att en annan viktig tillämpning skulle vara inom konstruktion. Ansamling av is på tak kan hota deras strukturella integritet. Takytor som ryckte undan is kunde förhindra katastrofala kollapser.
Matthew Herman, en byggnadsfysiker på den internationella ingenjörsfirman Buro Happold, säger att isavvisande teknik skulle vara extremt användbar för stora byggnader. Många historiska byggnader i New York, Boston och Chicago är byggda med avsatser, säger Herman. De är vackra för att skapa skugga och textur, men de tillåter snö att byggas upp. Så småningom får du tillräckligt med vatten och is som sitter på en avsats så att det kan falla av, och du måste sätta upp ställningar eller ett tak för att skydda människorna nedanför.
Howard Stone, professor i mekanisk och rymdteknik vid Princeton University, säger att Aizenbergs underbara kreativa arbete erbjuder flera kommersiella möjligheter. Han undrade om applicering av isresistenta material skulle förändra det aerodynamiska beteendet hos en yta som en planvinge, men Aizenberg och hennes kollegor har övervägt frågan på djupet och säger att aerodynamiken troligen kommer att vara opåverkad. De planerar att publicera dessa uppgifter i en kommande tidning.