Avisning av flygplan med frysskyddskemikalier är en vanlig praxis under vintermånaderna. Virginia Techs nya frostskyddsteknik har potential att användas i flygtillämpningar, inklusive tillverkning av flygplansvingar. Kredit:Public Domain
Ingenting förutsäger vinterns kommande som frost på vindrutor.
Även om besväret med att skrapa eller tina bilrutor kan definiera kalla morgnar för många förare, tulltjälen tar på den större ekonomin är mer än bara en olägenhet. Från försenade flyg till strömavbrott, isuppbyggnad kan kosta konsumenter och företag miljarder dollar varje år i förlorad effektivitet och mekaniskt haveri.
Ny forskning från Virginia Tech, publiceras denna vecka i ACS tillämpade material och gränssnitt , hoppas kunna ändra på det. Med världens första demonstration av en passiv frostskyddsyta, studien ger ett proof of concept för att hålla ytor 90 procent torra och frostfria på obestämd tid – allt utan några kemikalier eller energiinsatser.
"Frosting är ett stort problem, och forskare har arbetat med att lösa detta problem i flera år, sa Farzad Ahmadi, en doktorand vid Virginia Techs institution för biomedicinsk teknik och mekanik vid College of Engineering och studiens huvudförfattare.
Ahmadi förklarade att traditionella metoder för att bekämpa frost har förlitat sig på användningen av frostskyddskemikalier eller energiinsatser, som värme. Även den urgamla metoden att kasta ner salt på vägar är i grunden en kemisk behandling. Andra nya framsteg inkluderar specialbeläggningar för ytor som förhindrar frostbildning, men dessa beläggningar är inte hållbara och tenderar att slitas av lätt.
"För detta projekt, vi använder inte någon form av speciell beläggning, kemikalier, eller energi för att övervinna frost, ", sa Ahmadi. "Istället använder vi isens unika kemi för att förhindra frost från att bildas."
Genom att använda ett enkelt tillvägagångssätt för design, forskarna skapade sin frostskyddsyta på obehandlad aluminium genom att mönstra isränder på en mikroskopisk uppsättning förhöjda spår. De mikroskopiska spåren fungerar som offerområden, där ränder av avsiktlig is bildas och skapar lågtryckszoner. Dessa lågtrycksområden drar närliggande fukt från luften till närmaste isrand, hålla de överlappande mellanområdena fria från frost, även i fuktigt, underfrysningsförhållanden.
En skalenlig modell av teamets anti-frosting-teknik applicerad på en liten skiva obehandlad aluminium. Förhöjda mikrofenor av offeris gör att resten av ytan förblir torr och frostfri. Kredit:Virginia Tech
Dessa offerisränder utgör endast 10 procent av materialets yta, lämnar de återstående 90 procenten helt torra.
"Den verkliga kraften i detta koncept är att isränderna själva är kemin, vilket betyder att materialet vi använder är irrelevant, sa Jonathan Boreyko, en biträdande professor vid institutionen för biomedicinsk teknik och mekanik. "Så länge du har det där rätta mönstret av offeris, materialet du använder kan vara praktiskt taget vad som helst. Så det finns många möjligheter."
Forskarna ser omedelbara tillämpningar för tekniken i HVAC-industrin, där utomhuskomponenterna i värmeväxlare (som värmepumpar och fläktsystem) redan använder ett mönster av mikrofenor på sina ytor. Tillverkare skulle bara behöva tillämpa rätt mönster av spår på dessa fenor för att förhindra frost från att byggas upp inuti systemen.
Andra applikationer inkluderar flygmaterial, som flygplansvingar. Och ja, med lite mer utveckling, bilvindrutor är också ett alternativ för antifrosttekniken, som redan har beviljats ett fullständigt patent.
Förutom dess oöverträffade frostskyddsegenskaper, Tekniken kan ge ytterligare fördelar:Den kan hjälpa till att kompensera för traditionella metoder för att bekämpa is som har bekymmersamma konsekvenser för miljön. Till exempel, det krävs tusentals liter frostskyddskemikalier för att tina vingarna på ett flygplan för en enda flygning. Dessa kemikalier rinner ut i grundvattnet, sprids i luften som små droppar, och kan ha bestående effekter på växtlighet och vilda djur – även människor.
"Det som är bra med is är att det är miljövänligt, " sa Ahmadi. "Det är inte som andra kemikalier eller ens salt, som inte bara sitter kvar utan också späds ut eller urvattnas med tiden."
Boreyko sa att ett av studiens viktigaste bidrag var utvecklingen av en rationell modell för hur mycket kemikalie (i det här fallet, kemikalien är is) att applicera för att hålla en yta torr.
"Vi har känt till tricket i århundraden, " sa han. "Du lägger ner en lågtryckskemikalie, som salt, och det håller allt annat runt det ganska torrt. Men nu gör vi den effekten evig, och vi gör distributionen rationell."
