Las superficies y recubrimientos repelentes al agua podrían hacer que la eliminación de hielo sea una brisa literal al obligar al hielo a crecer en lugar de simplemente patinar, dice un nuevo estudio de la Universidad de Nebraska-Lincoln y varias instituciones chinas.
Los investigadores descubrieron que el hielo crece de manera diferente en las superficies absorbentes frente a las repelentes al agua, lo que demuestra que una ráfaga de aire puede expulsar el hielo que se forma en esta última. Sus hallazgos sugieren que la aplicación de recubrimientos repelentes al agua en los parabrisas antes de las tormentas de invierno:o superficies de ingeniería que repelen el agua inherentemente, podrían permitir una brisa fuerte para manejar la carga de la eliminación de hielo.
Los experimentos y simulaciones mostraron que una gota de agua en una superficie repelente se congelará en una formación microscópica de seis brazos que se asemeja a un copo de nieve idealizado, con solo una pequeña porción de su base adherida a la superficie. Esto tiene sentido dado que las gotas de aguaen lugar de extenderse sobre superficies repelentes, dijo el coautor de Nebraska Xiao Cheng Zeng.
En contraste, las gotas en una superficie absorbente cristalizaron en hielo que creció a lo largo de esa superficie, lo que hace que sea más difícil de eliminar. Las simulaciones a nivel molecular sugirieron que estas gotas casi de inmediato comenzaron a formar dos capas apiladas de hielo hexagonal 2-D, una formaque Zeng descubrió y apodó previamente Nebraska Ice. Este hielo ultra delgado alienta a las moléculas de agua a patinar sobre él y colonizar otras áreas de la superficie, dijo Zeng.
"Si el agua y la superficie no tienen mucha química al principio, no se caen bien, es como un divorcio o una separación", dijo Zeng, profesor de química de la Universidad del Canciller ". Perosi se quieren, se casan y permanecen juntos durante mucho tiempo.
"Ahí es cuando el hielo crece a lo largo de la superficie. En invierno, si tienes ese tipo de hielo en el parabrisas, tienes que usar un raspador para quitarlo".
hacia adelante o hacia arriba
La temperatura y la presión dictan principalmente cómo se cristalizan las gotas de agua al aire libre, y esas variables sí tienen en cuenta la formación de hielo en superficies sólidas, dijo Zeng. Pero el estudio del equipo sugiere que el ángulo de contacto de una superficie, el ángulo formado donde se junta una gota de aguauna superficie sólida: determina si el hielo crecerá a lo largo o fuera de la superficie. Mientras que una superficie hidrófila permite que las gotas se extiendan a través de él en un ángulo de contacto pequeño, una superficie hidrófoba que repele el agua forzará a las gotas a formar un ángulo más grande.
"Si el agua se congela de una forma u otra depende de la superficie, no de la temperatura", dijo Zeng. "Depende casi por completo del ángulo de contacto".
El equipo encontró que en una superficie libre de defectos fabricada en el laboratorio o modelada en una simulación por computadora, el hielo pasa del crecimiento a lo largo de la superficie a fuera de la superficie en un ángulo de contacto de entre 30 y 40 grados. Los investigadores también descubrieronque aumentar la rugosidad de una superficie al agrandar sus poros nanoscópicos en realidad disminuyó este umbral angular, lo que significa que las superficies más rugosas no necesitan ser tan repelentes al agua para fomentar el crecimiento de hielo que se elimina con mayor facilidad.
Rompiendo el hielo
Para comparar las dos formas de crecimiento de hielo, los investigadores diseñaron una superficie transparente dividida en mitades: una hidrofílica, una hidrofóbica. Luego conectaron una cámara de alta velocidad a un microscopio, capturando videos de los procesos respectivos tanto desde abajo como desdeun perfil lateral
Cuando los investigadores sometieron ambas mitades a bocanadas de aire, descubrieron que el hielo abandonó la mitad hidrofóbica pero se mantuvo firmemente en el lado hidrofílico. Y el hielo que avanzó a través de la mitad hidrofílica se detuvo abruptamente cuando se acercó al territorio hidrofóbico.
"La gente ha estado estudiando cómo el agua interactúa con las superficies durante mucho, mucho tiempo", dijo Zeng. "Pero este fenómeno estaba fuera del radar hasta ahora".
Zeng fue autor del estudio con Chongqin Zhu, investigador postdoctoral en química de Nebraska; Joseph Francisco, decano de la Facultad de Artes y Ciencias; junto con colegas de la Academia de Ciencias de China, la Universidad de Tecnología Química de Beijing y la Universidad de Pekín. El equipoinformó sus hallazgos en la revista Actas de la Academia Nacional de Ciencias .
Los investigadores recibieron el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU., La Fundación Nacional de Ciencias de China y la Academia de Ciencias de China. Zeng y sus colegas realizaron sus simulaciones a través del Centro de Computación Holanda de la Universidad de Nebraska.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Nebraska-Lincoln . Original escrito por Scott Schrage. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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