Oppervlakken die het ijs weghouden

IJs is een gevaarlijk feit in het winterse leven en veroorzaakt grote schade aan wegen, nutsleidingen, gebouwen en vliegreizen. Conventionele methoden om van het ijs af te komen, zoals directe verwarming, het aanbrengen van zout of het gebruik van chemicaliën om het smelten op gang te brengen, hebben allemaal nadelen: ze kunnen de materialen waarop ze worden aangebracht aantasten en het milieu schaden, en ze zijn slechts bescheiden of tijdelijk effectief. Maar wetenschappers van Harvard zeggen dat ze materialen hebben gemaakt die de vorming van ijs op oppervlakken in de eerste plaats kunnen voorkomen.

Houd het ijs vast: Conventionele oppervlakken zorgen ervoor dat ijsdruppels (links) vasthouden en vellen vormen (midden), maar de ruwheid op nanoschaal aan het oppervlak voorkomt dat ijs zich vormt.

De onderzoekers zeggen dat hun doorbraak, gerapporteerd in het laatste nummer van ACS Nano , zou niet alleen van toepassing kunnen zijn op de luchtvaart, maar ook op wegenbouw, constructie, krachtoverbrenging en vrijwel elke andere industrie waarvoor chemische en fysieke ontijzing een punt van zorg is. Wat we willen is dat er zich helemaal geen ijs vormt, zegt Joanna Aizenberg, materiaalwetenschapper en leider van het project.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van november 2011

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Wanneer een beginnende ijsdruppel een conventioneel oppervlak raakt, spreidt het zich uit en grijpt het vast, waardoor het een basis wordt voor de aggregatie van meer druppels en uiteindelijk een ijslaag. Maar de oppervlakken van Aizenberg zijn superhydrofoob, wat letterlijk heel bang voor water betekent. Ze bevatten geometrische patronen ter grootte van een micron, waaronder palen, stenen en andere structuren, die ervoor zorgen dat druppels wegkaatsen voordat ze zich kunnen hechten. Het belangrijkste kenmerk is dat we deze constructies zo ontwerpen dat ze bijna wrijvingsloos zijn, legt Aizenberg uit. De druppels worden effectief afgebogen voordat ijsvorming kan optreden.

In tests hebben Aizenberg en haar collega's ontdekt dat hun materialen bestand zijn tegen ijsaccumulatie totdat de temperatuur daalt tot ongeveer -30° C. Dat is veel kouder dan bijna elke industriële omgeving, merkt ze op. Zelfs bij ultralage temperaturen, wanneer de ijsafstotendheid begint af te breken, is niet alles verloren. Het ijs dat zich vormt, heeft een zwakke grip en vereist een kleine fractie - minder dan 10 procent - van de normaalkracht die nodig is om het van traditionele oppervlakken te verwijderen. Het is heel gemakkelijk te verwijderen omdat het alleen contact maakt met het oppervlak aan de uiteinden van deze nanogestructureerde functies, zegt Aizenberg. Het kan alleen worden verwijderd door de luchtstroom.

De nanostructuren kunnen worden geëtst of gegoten in metaal, rubber of andere stoffen, voegt Aizenberg toe, wiens groep een patent op de methode heeft aangevraagd en van plan is deze te commercialiseren. Het is niet duidelijk hoeveel het zou kosten om ijsweerstand aan een bepaald oppervlak toe te voegen, zegt Aizenberg, maar ze voorspelt dat het laag genoeg zal zijn om het gebruik ervan niet te ontmoedigen. Ook moet nog worden getest of een oppervlaktetoepassing van de nanostructuren periodieke verversing vereist. Haar team doet onderzoek in windtunnels om te zien hoe duurzaam de materialen zijn en analyseert hun vermogen om hoge snelheden en andere echte belastingen te weerstaan.

Hoewel vliegtuigen een voor de hand liggende bestemming zijn voor ijsblokkerende materialen, zegt Aizenberg dat een andere belangrijke toepassing in de bouw zou zijn. De ophoping van ijs op daken kan hun structurele integriteit in gevaar brengen. Dakbedekkingsoppervlakken die van ijs werden afgeschud, zouden catastrofale instortingen kunnen voorkomen.

Matthew Herman, een bouwfysicus bij het internationale ingenieursbureau Buro Happold, zegt dat ijsafstotende technologie uitermate nuttig zou zijn voor grote gebouwen. Veel historische gebouwen in New York, Boston en Chicago zijn gebouwd met richels, zegt Herman. Ze zijn prachtig om schaduw en textuur te creëren, maar ze laten sneeuw toe. Uiteindelijk krijg je genoeg water en ijs dat op een richel zit dat het eraf kan vallen, en je moet steigers of een luifel ophangen om de mensen beneden te beschermen.

Howard Stone, hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Princeton University, zegt dat het wonderbaarlijk creatieve werk van Aizenberg meerdere commerciële kansen biedt. Hij vroeg zich af of het toepassen van ijsbestendige materialen het aerodynamische gedrag van een oppervlak zoals een vliegtuigvleugel zou veranderen, maar Aizenberg en haar collega's hebben de vraag grondig overwogen en zeggen dat de aerodynamica waarschijnlijk niet wordt beïnvloed. Ze zijn van plan om die gegevens in een aanstaande krant te publiceren.

zich verstoppen