Zoptymalizowana powierzchnia całkowicie zapobiega tworzeniu się szronu na płaskich powierzchniach przez okres do jednego tygodnia.
Być może pewnego dnia będziemy mogli w końcu pożegnać się z rozmrażaniem zamrażarek czy zeskrobywaniem szronu ze śliskich powierzchni. Inżynierowie w Uniwersytet Północno-Zachodni opracowali nową strategię zapobiegania tworzeniu się szronu jeszcze przed jego pojawieniem się.
W nowym badaniu naukowcy odkryli, że poprawienie tekstury dowolnej powierzchni i dodanie cienkiej warstwy grafen tlenek zapobiega tworzeniu się 100% szronu na powierzchniach przez tydzień lub potencjalnie nawet dłużej. To 1000 razy dłużej niż obecne, najnowocześniejsze powierzchnie przeciwmrozowe.
Dodatkową zaletą jest to, że nowa skalowalna konstrukcja powierzchni jest również odporna na pęknięcia, zarysowania i zanieczyszczenia.
Naukowcy wyobrażają sobie, że włączając teksturowaną powierzchnię do infrastruktury, firmy i agencje rządowe mogłyby zaoszczędzić miliardy dolarów rocznie na uniknięciu kosztów konserwacji i nieefektywności energetycznej.
Wyniki badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Postęp nauki.
„Niepożądana akumulacja szronu jest poważnym problemem w sektorach przemysłowym, mieszkaniowym i rządowym” – stwierdził Kyoo-Chul Kenneth Park z Northwestern, który kierował badaniem. „Na przykład kryzys energetyczny w Teksasie w 2021 r. kosztował 195 miliardów dolarów szkód, wynikających bezpośrednio z mrozu, lodu i ekstremalnie niskich temperatur utrzymujących się przez ponad 160 godzin. Dlatego też niezwykle istotne jest opracowanie technik zapobiegania zamarzaniu, które będą odporne przez długi czas w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Konieczne jest także opracowanie metod zapobiegania zamarzaniu, które byłyby łatwe w przygotowaniu i zastosowaniu. Opracowaliśmy naszą hybrydową technikę zapobiegania zamarzaniu, mając na uwadze wszystkie te potrzeby. Może zapobiegać oszronieniu przez potencjalnie tygodnie, jest skalowalny, trwały i łatwy do wytworzenia za pomocą druku 3D.
Park jest adiunktem inżynierii mechanicznej w McCormick School of Engineering w Northwestern oraz członkiem wydziału Instytutu Zrównoważonego Rozwoju i Energii im. Pauli M. Trienens oraz Międzynarodowego Instytutu Nanotechnologii.
Odkrycie inspirowane liśćmi
Nowe badanie opiera się na tym poprzednia praca z laboratorium Parka. W 2020 roku Park i jego zespół odkryli, że dodanie do powierzchni tekstur w skali milimetrowej teoretycznie zmniejsza powstawanie szronu nawet o 80%. Inspiracją do badań opublikowanych w Proceedings of the National Academy of Sciences była falująca geometria liści.
„W wypukłych obszarach liścia tworzy się więcej szronu” – powiedział wówczas Park. „Na obszarach wklęsłych (żyłach) widzimy znacznie mniej szronu. Ludzie zauważyli to od kilku tysięcy lat. Co ciekawe, nie było wyjaśnienia, w jaki sposób powstają te wzorce. Odkryliśmy, że kontroluje to geometria, a nie materiał”.
Dzięki pracom eksperymentalnym i symulacjom obliczeniowym Park i jego współpracownicy odkryli, że kondensacja nasila się na szczytach i jest tłumiona w dolinach falistych powierzchni. Niewielka ilość skroplonej wody w dolinach następnie odparowuje, tworząc obszar wolny od szronu.
Zdolność wychwytywania tlenku grafenu
W poprzednim badaniu zespół Parka opracował powierzchnię zawierającą szczyty i doliny w skali milimetrowej z małymi kątami pomiędzy nimi. W nowym badaniu zespół Parka dodał tlenek grafenu do płaskich dolin, co ograniczyło tworzenie się szronu w tych dolinach o 100%. Nowa nawierzchnia składa się z drobnych nierówności, a odległość między szczytami wynosi 5 milimetrów. Następnie cienka warstwa tlenku grafenu o grubości zaledwie 600 mikronów pokrywa doliny pomiędzy szczytami.
„Tlenek grafenu przyciąga parę wodną, a następnie zamyka cząsteczki wody w swojej strukturze” – powiedział Park. „Warstwa tlenku grafenu działa zatem jak pojemnik zapobiegający zamarzaniu pary wodnej. Kiedy połączyliśmy tlenek grafenu z powierzchnią makrotekstury, był on odporny na mróz przez długi czas przy wysokim przesyceniu. Nawierzchnia hybrydowa staje się stabilną, długotrwałą i pozbawioną mrozu strefą.”
W porównaniu z innymi najnowocześniejszymi powierzchniami przeciwmrozowymi, metoda Parka okazała się zdecydowanym zwycięzcą. Podczas gdy powierzchnie superhydrofobowe (odpychające wodę) i zawierające smary wytrzymywały 5–36% szronu przez maksymalnie 5 godzin, powierzchnia Parka była odporna na 100% szronu przez 160 godzin.
„Większość innych powierzchni przeciwmrozowych jest podatna na uszkodzenia spowodowane zadrapaniami lub zanieczyszczeniami, które z biegiem czasu pogarszają właściwości powierzchni” – powiedział Park. „Ale nasz mechanizm zapobiegający zamarzaniu wykazuje odporność na zarysowania, pęknięcia i zanieczyszczenia, przedłużając żywotność powierzchni”.
Dlaczego to ma znaczenie
Ta hybrydowa powierzchnia z makroteksturą i tlenkiem grafenu stanowi obiecujące rozwiązanie zapobiegające tworzeniu się szronu w różnych zastosowaniach. Większość ludzi martwi się mrozem tylko wtedy, gdy pokrywa przednią szybę samochodu lub niszczy rośliny na zewnątrz. Ale mróz to coś więcej niż utrapienie.
Mróz na skrzydłach samolotu może powodować opór, czyniąc loty niebezpiecznymi lub nawet niemożliwymi. Szron gromadzący się w zamrażarkach i lodówkach znacznie zmniejsza efektywność energetyczną urządzeń. Mróz może spowodować nadmierne obciążenie linii energetycznych, prowadząc do awarii, a ostatecznie do przerw w dostawie prądu. Może również osłabiać czujniki w pojazdach, uszkadzając ich zdolność do dokładnego wykrywania obiektów.
„Opracowanie nowych technik zapobiegania zamarzaniu ma kluczowe znaczenie dla zapobiegania kosztownym awariom mechanicznym, nieefektywności energetycznej i zagrożeniom dla bezpieczeństwa krytycznych operacji” – powiedział Park. „Obecnie nie ma uniwersalnego podejścia, ponieważ każde zastosowanie ma specyficzne potrzeby. Chociaż samoloty wymagają jedynie kilkusekundowej odporności na mróz, linie energetyczne działające w zimnym otoczeniu mogą na przykład wymagać dni lub tygodni odporności na mróz. Dzięki naszym nowym spostrzeżeniom mogliśmy zaprojektować linie energetyczne i skrzydła samolotów o zmniejszonej przyczepności do lodu. Tego typu zmiany znacznie obniżyłyby roczne koszty utrzymania.
Odniesienie: „Solidna hybrydowa kontrola dyfuzji dla długoterminowego skalowalnego zapobiegania zamarzaniu” autorstwa Christiana Machado, Benjamina Sterna, Haiyue Huanga, Asmy Ul Hosna Meem, Jiaxing Huang i Kyoo-Chul Kenneth Park, 30 października 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adq8525
Badanie zostało częściowo wsparte przez National Science Foundation (numer grantu CBET-2337118) i Koreański Instytut Nauki i Technologii (numer grantu 2E32527).
