Получены наноструктурированные поверхности, устойчивые к обледенению

Исследователи из Гарвардского университета и Висконсинского университета в Мэдисоне (США) получили наноструктурированные поверхности, устойчивые к обледенению

Обледеневший самолет-разведчик SR-71 Blackbird

Банальные и давно известные способы борьбы с образованием льда — обработка химикатами, посыпание солью — не слишком эффективны и экологичны. «Мы хотели разработать технологию совершенно другого типа, которая будет устранять причины, а не последствия», — говорит руководитель работ Джоанна Айзенберг (Joanna Aizenberg).

Реализовать идею помогли наноструктурированные супергидрофобные поверхности.

• «Взаимодействие неподвижных капель с переохлаждённой поверхностью изучено довольно хорошо, но нас интересовала динамика процесса, — рассказывает г-жа Айзенберг. — Всё, очевидно, начинается с того, что падающие капли сталкиваются с поверхностью. Этот процесс мы и моделировали».

Проведя серию экспериментов и записав их результаты на видео, учёные добились того, что ударяющиеся о структурированную поверхность капли просто отталкивались ею, не успевая застыть (см. видео ниже).

.

• Тестирование разных типов структур показало, что неразрывные узоры с ячейками в виде шестигранников или прямоугольников прекрасно подходят для создания надёжных супергидрофобных поверхностей, которые выдерживают «бомбардировку» каплями, падающими с высокой скоростью. Такие образцы оставались свободными ото льда в случае охлаждения до –25…-30 ˚C; при дальнейшем понижении температуры лёд всё же образовывался, но удалить его было довольно легко.

Образование льда на гладкой алюминиевой поверхности (слева), гладком слое фторированного кремния (в центре) и структурированном фторированном кремнии >>>

• Авторы, по их собственному утверждению, уже готовят технологию к практическому применению и испытывают структурированные поверхности в реальных задачах.

Сравнение результатов падения капель на поверхности разных типов:

http://www.youtube.com/watch?…

• Полная версия отчёта будет опубликована в издании ACS Nano

Дмитрий Сафин

http://science.compulenta.ru/575798/?…

Нанотехнологии покончат с обледеневшими тротуарами

Создан материал, структура которого на молекулярном уровне не позволяет образовываться наледи. Потенциальное применение – от крыльев самолетов до ступенек магазинов

Исследователи из Гарвардского университета совместно со специалистами Университета Висконсина разработали материал на основе кремния, на котором практически исключено образование наледи.

• Если изделия из такого вещества охладить до температур ниже нуля и начать поливать водой или обдувать влажным воздухом, никакой ледяной корки на них не появится. И хотя на практике говорить о возможном его применении пока что преждевременно, так как неясно, будет ли материал достаточно доступен по цене, технически возможность полностью ликвидировать опасные ледяные наросты уже появилась.

.

В сообщении Гарвардского университета особо подчеркивается, что использованный авторами разработки подход к борьбе со льдом имеет ряд бесспорных преимуществ над традиционными решениями.

• Образование наледи исключается не за счет нагрева или обработки какими-либо реактивами, а за счет особой структуры поверхности, поэтому нет нужды ни в небезупречных с экологической точки зрения растворах, ни в постоянно включенных обогревателях.

Один из немногих случаев, когда образование льда на охлажденных ниже нуля предметах не вызывает отрицательных эмоций >>>

• Даже там, где затраты на электричество далеко не принципиальны (скажем, в антиобледенительных системах самолетов), способность материала самостоятельно справляться с обледенением окажется весьма полезной – ведь нагреватель, в конце концов, может и выйти из строя.

.

Как это устроено?

В основе разработки лежат нанотехнологии – манипуляции с веществом, направленные на создание различного рода упорядоченных структур с размерами меньше десятой доли микрометра.

• Ученые взяли кремниевую пластину, добавили в кремний атомы фтора и потом выстроили на поверхности разнообразные узоры из выступающих участков.

Противообледенительная обработка самолета специальными реактивами

Внешне такая структурированная поверхность стала напоминать пчелиные соты или кирпичную кладку (было испробовано несколько разных схем). На первый взгляд, такая обработка никак не могла сделать материал невосприимчивым ко льду – интуиция скорее подсказывает, что от рифленной поверхности отодрать ледяные наросты должно быть не проще, а сложнее.

• Однако поскольку размер неровностей был крайне мал, это радикально изменило характер взаимодействия материала с водой и льдом – сработал эффект перехода к наномасштабам, из-за которого термин «нанотехнологии» и получил известность.

.

• Капли воды, падающей на поверхность, сначала растекаются по микроскопическим выступам, а потом силы межмолекулярного взаимодействия снова собирают жидкость в сферическую каплю, которая уже не удерживается на поверхности, а скатывается с нее, не успев замерзнуть.

Одна из наноструктур, ранее синтезированная группой Джоаны Айзенберг. Несмотря на «биологический» вид, это всего лишь специально обработанная эпоксидная смола >>>

• Если же температура слишком низка, капля превращается в округлую и слабо сцепленную с поверхностью частичку льда – которую легко смахнет ветер, стеклоочиститель или метла дворника (подчернкем что именно метла, а не лом!).

Для наглядности ученые приводят в пример фасеточные глаза комаров и других насекомых – аналогичная структура в виде множество микроскопических волосков делает важный орган практически не подверженным оседанию влаги.

• Чтобы понять, как можно использовать подобный эффект на практике в борьбе с обледенением чего-либо, исследователи сначала изучили процесс формирования отдельных зерен льда на поверхности материалов, а потом принялись по-разному менять структуру этой поверхности.

Что это даст?

• Работа специалистов сделана на деньги военных – агенства перспективных исследований DARPA и департамента национальной безопасности. Их интерес к подобной теме понятен: наледь образуется не только на тротуарах, но и на летательных аппаратах, где она способна привести и к катастрофе (именно отказ обогревателей стал, как считают эксперты, причиной пропажи одного из самолетов в «Бермудском треугольнике»).

Но понятно и то, что поверхности, на которых льда не будет в принципе или на которых вместо ледяной корки образуется лишь мелкая изморозь, которую можно легко смахнуть веником, пригодятся всем. Если технологию удастся сделать достаточно массовой (кремний с добавками фтора все же дороговат для шоссе), в будущем можно будет избавиться от противогололедных реактивов и радикально сократить количество дворников: скалывать лед не потребуется.

Алексей Тимошенко

http://www.gzt.ru/…/334164.html