De flesta tekniker för att förhindra frost och isbildning på ytor är starkt beroende av uppvärmning eller flytande kemikalier som måste appliceras upprepade gånger eftersom de lätt tvättas bort. Även avancerade anti-isbildningsmaterial har problem med att fungera under förhållanden med hög luftfuktighet och förhållanden under noll, när frost och isbildning går i överväxel.

Nu, forskare från University of Illinois vid Chicago College of Engineering beskriver för första gången flera unika egenskaper hos material som kallas fasväxlande vätskor, eller PSL, som lovar som nästa generations anti-isningsmaterial. PSL:er kan fördröja is- och frostbildning upp till 300 gånger längre än toppmoderna beläggningar som utvecklas i laboratorier. Deras resultat publiceras i tidskriften Avancerade material .

"Is och frost utgör en fara för människor och kan skada maskiner och minska funktionaliteten hos vissa tekniker, särskilt de som rör energi och transporter, så vi har varit intresserade av att hitta möjliga sätt att övervinna deras skadliga effekter, och fasväxlande vätskor är mycket lovande kandidater, sa Sushant Anand, biträdande professor i maskin- och industriteknik och motsvarande författare till uppsatsen.

PSL är en undergrupp av fasförändringsmaterial som har smältpunkter högre än vattens fryspunkt, vilket är 0 grader Celsius, vilket innebär att de skulle vara fasta ämnen vid ett temperaturintervall nära det vid vilket vatten fryser. Exempel på sådana material inkluderar cyklohexan, cyklooktan, dimetylsulfoxid, glycerol, och mer.

"Vid minusgrader, alla PSL:er blir solida. Så, en vinterdag, du kan belägga en yta där du inte vill ha isbildning med ett PSL-material och det skulle förbli där mycket längre än de flesta avisningsvätskor, som kräver frekvent återanvändning, " sa Rukmava Chatterjee, en doktorand vid UIC College of Engineering och den första författaren till artikeln.

Medan forskare har känt till fasförändringsmaterial under lång tid, deras unika anti-icing och anti-frosting egenskaper har inte undersökts tidigare, Chatterjee förklarade. Årtionden sedan, Daniel Beysens, forskningschef för laboratoriet för fysik och mekanik för heterogena medier vid Université de recherche Paris Sciences et Lettres och en medförfattare på uppsatsen, hade observerat att när material som cyklohexan kyldes strax under deras smältpunkter, vattendroppar som kondenserar på ytan skulle röra sig ojämnt.

"Vi hade tittat på denna oberäkneliga rörelse tidigare, och vi hade visat att det härstammar från smältningen av cyklohexanet som induceras av värmen som frigörs till dessa material under vattendropparkondensation, sa Anand.

I sin nuvarande forskning, Anand och Chatterjee kylde en rad PSL till -15 grader Celsius, gör dem alla solida. Under förhållanden med hög luftfuktighet, de märkte att de stelnade PSL:erna smälte direkt under och i omedelbar närhet av vattendroppar som kondenserade på PSL:erna.

"Vi förväntade oss att den oberäkneliga dropprörelsen skulle sluta när ytan kyldes till -15C. Men till vår förvåning, vi upptäckte att dropparna fortsatte att visa samma hoppande rörelse även vid mycket låga temperaturer, ", sa Anand. "Det visar sig att PSL:er är extremt skickliga på att fånga denna frigjorda värme.

"Denna kvalitet, i kombination med att kondensvattendroppar blir extremt rörliga på dessa kylda PSL gör att frostbildningen försenas avsevärt. Ja, vid en viss tidpunkt, is bildas så småningom och det är oundvikligt, men några av PSL:erna vi testade är vattenlösliga, och detta bidrar till deras frostskyddsegenskaper och kan hjälpa till att fördröja isbildningen mycket längre än till och med de avancerade anti-isningsbeläggningarna."

Anand och Chatterjee såg samma frostfördröjande effekt med PSL även när de applicerades som extremt tunna lager på föremål.

"I vår första uppsättning experiment, PSL-beläggningen vi använde var cirka 3 millimeter tjock. Men vi testade dem också som mycket tunna beläggningar, som en film, och såg fortfarande samma frysningsfördröjningseffekt, "Detta betyder att vi potentiellt kan använda PSL:er för att täcka föremål som bilvindrutor eller turbinblad utan att kompromissa med objektets funktionalitet."

I ytterligare experiment, forskarna fann att PSL:er har ett brett utbud av optiska OH-film, kan självreparera efter att ha blivit repad och kan rensa bort vätskeburna föroreningar.

"PSLs unika egenskaper, som vi beskriver för första gången i denna tidning, göra dem till utmärkta kandidater för nästa generations material för att förhindra frost och isutveckling på ytor, sa Anand.

Eftersom PSL är fasta ämnen vid låga temperaturer, he anticipates that they wouldn't need to be applied as often as liquid anti-icing agents because they would have better staying power.

"Men, självklart, we need to conduct additional experiments to determine their limits and figure out if there are ways we can further maximize their ice/frost-repelling abilities, " han sa.