В новом исследовании исследователи обнаружили, что изменение текстуры любой поверхности и добавление тонкого слоя оксида графена предотвращает образование 100% инея на поверхностях в течение одной недели или, возможно, даже дольше. Это в 1000 раз дольше, чем у современных поверхностей с защитой от обледенения.

В качестве дополнительного бонуса новая масштабируемая конструкция поверхности также устойчива к трещинам, царапинам и загрязнениям.

Исследователи предполагают, что, внедряя текстурированную поверхность в инфраструктуру, компании и правительственные учреждения могли бы экономить миллиарды долларов в год, предотвращая затраты на техническое обслуживание и энергетическую неэффективность.

Исследование будет опубликовано в среду (30 октября) в журнале Science Advances.

"Нежелательное накопление инея является серьезной проблемой в промышленном, жилом и государственном секторах", - сказал Кеннет Парк из Северо-Западного университета Кю-Чул, возглавлявший исследование. "Например, энергетический кризис 2021 года в Техасе стоил ущерба в размере 195 миллиардов долларов, вызванного непосредственно морозом, гололедом и экстремальными холодными условиями в течение более 160 часов. Таким образом, крайне важно разработать методы защиты от обледенения, которые были бы надежны в течение длительного периода времени в экстремальных условиях окружающей среды. Также необходимо разработать методы защиты от обледенения, которые были бы просты в изготовлении и внедрении. Мы разработали нашу гибридную технологию защиты от обледенения с учетом всех этих потребностей. Он может предотвращать обледенение в течение нескольких недель, а также масштабируем, долговечен и легко изготавливается с помощью 3D-печати".

Парк является доцентом кафедры машиностроения в Северо-Западной инженерной школе Маккормика и филиалом факультета Паулы М. Триенский институт устойчивого развития и энергетики и Международный институт нанотехнологий.

Открытие, вдохновленное листьями

Новое исследование основано на предыдущей работе лаборатории Парка. В 2020 году Парк и его команда обнаружили, что добавление текстур миллиметрового масштаба к поверхности теоретически уменьшает образование инея до 80%. Исследование, опубликованное в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, было вдохновлено волнистой геометрией листьев.

"На выпуклых участках листа образуется больше инея", - сказал тогда Парк. "На вогнутых участках (прожилках) мы видим гораздо меньше инея. Люди замечали это на протяжении нескольких тысяч лет. Примечательно, что не было никакого объяснения тому, как формируются эти паттерны. Мы обнаружили, что этим управляет геометрия, а не материал".

Благодаря экспериментальной работе и компьютерному моделированию Парк и его коллеги обнаружили, что конденсация усиливается на вершинах и подавляется в долинах волнистых поверхностей. Небольшое количество конденсированной воды в долинах затем испаряется, в результате чего образуется незамерзающая зона.

Способность улавливать оксид графена

В предыдущем исследовании команда Парка разработала поверхность с пиками и впадинами миллиметрового масштаба с небольшими углами между ними. В новом исследовании команда Парка добавила оксид графена в плоские долины, что уменьшило образование инея в этих долинах на 100%. Новая поверхность состоит из крошечных неровностей с расстоянием от пика до пика в 5 миллиметров. Затем тонкий слой оксида графена толщиной всего 600 микрон покрывает впадины между вершинами.

"Оксид графена притягивает водяной пар, а затем удерживает молекулы воды внутри своей структуры", - сказал Парк. "Итак, слой оксида графена действует как контейнер, предотвращающий замерзание водяного пара. Когда мы объединили оксид графена с макротекстурной поверхностью, он долгое время сопротивлялся замерзанию при высоком перенасыщении. Поверхность гибрида становится стабильной, долговечной, незамерзающей зоной."

По сравнению с другими современными покрытиями для защиты от обледенения метод Парка оказался явным победителем. В то время как супергидрофобные (водоотталкивающие) поверхности и поверхности, пропитанные смазкой, сопротивлялись образованию инея на 5-36% в течение 5 часов, поверхность Park сопротивлялась образованию инея на 100% в течение 160 часов.

"Большинство других поверхностей, защищенных от обледенения, подвержены повреждениям в результате царапин или загрязнений, что со временем ухудшает эксплуатационные характеристики поверхности", - сказал Парк. "Но наш механизм защиты от обледенения демонстрирует устойчивость к царапинам, трещинам и загрязнениям, продлевая срок службы поверхности".

Почему это важно

Эта гибридная поверхность из макротекстуры и оксида графена предлагает многообещающее решение для предотвращения образования инея в различных областях применения. Большинство людей беспокоятся о морозе только тогда, когда он покрывает лобовое стекло их автомобиля или убивает растения на открытом воздухе. Но мороз - это больше, чем просто неприятность.

Наледь на крыльях самолета может создавать лобовое сопротивление, делая полеты опасными или даже невозможными. Накапливаясь внутри морозильных камер и холодильников, иней значительно снижает энергоэффективность бытовой техники. Мороз может увеличить нагрузку на линии электропередачи, что приведет к обрыву и, в конечном счете, к перебоям в подаче электроэнергии. Это также может привести к повреждению датчиков на транспортных средствах, нанося ущерб их способности точно обнаруживать объекты.

"Разработка новых методов защиты от обледенения имеет решающее значение для предотвращения дорогостоящих механических неисправностей, энергетической неэффективности и угроз безопасности при выполнении критически важных операций", - сказал Парк. "В настоящее время не существует "универсального" подхода, поскольку у каждого приложения есть свои специфические потребности. Хотя для самолетов требуется всего несколько секунд морозостойкости, для линий электропередач, работающих в холодных условиях, могут потребоваться, например, дни или недели морозостойкости. С помощью наших новых идей мы могли бы проектировать линии электропередач и крылья самолетов с пониженным сцеплением со льдом. Такого рода изменения значительно сократили бы ежегодные затраты на техническое обслуживание".

Исследование "Надежный гибридный контроль диффузии для долгосрочного масштабируемого предотвращения замерзания" было частично поддержано Национальным научным фондом (номер гранта CBET-2337118) и Корейским институтом науки и технологий (номер гранта 2E32527).