Forskare och ingenjörer har fört en tyst men bestämd kamp mot isens uppbyggnad på infrastruktur. En tunn isbeläggning på solpaneler kan orsaka kaos med deras förmåga att generera el. Tunna islager på vindkraftverkens skovlar kan bromsa deras effektivitet.

Och ett tunt lager is på en elektrisk överföringsledning kan vara det första steget i farlig isuppbyggnad. Det var precis vad som hände i Quebec 1998, när en ansamling av is på överföringsledningar och torn krossade mer än 150 torn, lämnar mer än en miljon människor utan ström och orsakar ungefär 5 miljarder dollar i skada.

Nu, en forskargrupp vid norska universitetet för vetenskap och teknik (NTNU) rapporterar ett nytt tillvägagångssätt för att förhindra isbildning genom att spricka det. "Vi tycker att vi har hittat en mycket intressant metod för att minska ishäftning som är unik, och ett genombrott i samhället mot isbildning, "säger Zhiliang Zhang, en professor vid Institutionen för konstruktionsteknik vid NTNU och chef för forskningsteamet SLICE som upptäckte tekniken. Deras tillvägagångssätt har just publicerats i Mjuk materia , en publikation av Royal Society of Chemistry.

Om du någonsin har tagit ett flyg på vintern, du har nästan säkert upplevt ett sätt att hålla is från att fastna på en yta, vilket innebär sprutning av avisningsvätska på ett plan vingar och andra kritiska delar av flygplanet. Sprayen tar fysiskt bort all ackumulerad is, men det gör också ytan på planet mindre sannolikt att ackumulera snö eller is (även om det bara är en kort period). I de flesta industriella tillämpningar, dock, som på en offshore -rigg eller ett fartyg i Arktis, eller på vindkraftverk, spruta frostskyddsmedel på en struktur är inte ett alternativ.

Forskare och ingenjörer har alltså skapat ämnen som kallas superhydrofoba. Det betyder att de utmärker sig vid att avvisa vatten. Superhydrofoba ämnen kan appliceras på ytor genom sprutning eller doppning. Ofta, de är gjorda av fluorerade kemikalier som inte är särskilt miljövänliga. Och forskare är inte helt säkra på att en superhydrofob yta kan förbli isfri, åtminstone under långa perioder. Det motiverade Zhang och hans kollegor vid NTNU Nanomechanical Lab att prova ett helt annat tillvägagångssätt.

"Vår strategi är att leva med is, " han sa, genom att låta det bildas, men genom att se till att islagren sprickar bort från ytan och faller av. I sina ansträngningar att hitta sätt att hindra is från att fastna på ytor, isforskare har försökt manipulera fysiska krafter för att generera gränssnittssprickor i nanoskala och mikroskala.

Många isforskare har försökt skapa hala ytor som förlitar sig på ytkemi för att orsaka sprickor genom att försvaga atombindningarna mellan isen och ytan. Dessa ytkemirelaterade ämnen kallas NACI, för nano-crack-initiativtagare.

I mikroskala, isforskare har byggt in mikrobultar i de ytor de vill skydda mot is. Dessa mikrobumpar kallas mikrosprick-initiatorer, eller MICI, eftersom deras grovhet främjar mikrosprickor vid kontakten mellan ytan och isen, och begränsar isens förmåga att hålla sig till den behandlade ytan.

Ingen av dessa mekanismer är perfekta för att förhindra att is fastnar på en yta. Zhang och hans kollegor testade ett antal kommersiella och hemlagade beläggningar som är beroende av NACI och MICI för att sänka isens förmåga att fastna på ytan. De insåg gradvis att om de lade till en annan struktur under ytan, de kan bilda stora makrosprickor vid gränsytan mellan ytan och isen. De kallade denna mekanism för MACI, för makro-spricka initiator.

När sprickorna blir större, isen är mindre sannolikt att stanna kvar på ytan. På det här sättet, MACI har nyckeln till att bli av med isuppbyggnad på ytor, Sa Zhang. För att testa deras idé, Zhang och hans kollegor skapade underjordiska lager som hade mikrohål eller pelare. Sedan gjorde de en tunn film av ett ämne som heter polydimetylsiloxan, eller PDMS, som täckte det håliga, ojämna understrukturlager.

De testade flera mönster av sina MACI -inre strukturer. De testade också vad som skulle hända om de använde flera lager med inre hål. Forskarna blev förvånade över att upptäcka att ytor som hade MACI -understrukturerna hade ishäftningsstyrkor som var minst 50 procent svagare än de rena PDMS -ytorna utan MACI. En yta med den speciella MACI -designen gav forskarna de resultat de hoppades på, med några av de lägsta värdena för isadhesion, eller klibbighet, någonsin mätt.

"Ishäftningsstyrkan för vanliga utomhusstål eller aluminiumytor är cirka 600-1000 kPa, "Zhang sa." Genom att introducera det nya MACI -konceptet till ytdesignen, vi nådde det superlåga ishäftningsvärdet på 5,7 kPa. "

Zhang och hans kollegor har mer arbete att göra när de utvecklar sin idé, men de är glada över att de kan ha knäckt koden för att förhindra farlig isbildning samtidigt som de begränsar oönskade miljöeffekter. "Traditionell aktiv avisningsteknik ... kan ha stora skadliga effekter på strukturer och miljö, "Sade Zhang." Men passiva superlåga ishäftningsytor undviker alla de skadliga effekterna. Detta är mycket intressant inte bara för det vetenskapliga samfundet, och för arktiska tillämpningar, men för solpaneler, för sjöfart och överföringslinjer. Det finns många applikationer relaterade till vardagen. "