Isbildning och ackumulering är utmanande problem för flera industriella tillämpningar, inklusive värmeventilation, luftkonditionering och kylsystem (HVAC &R), flygplan, energiöverföring, och transportplattformar. Frostbildning på värmeväxlare, till exempel, minskar värmeöverföringseffektiviteten och resulterar i betydande ekonomiska förluster. Dessutom, avfrostning och avisningsteknik är energikrävande, kräver att stora ismassor smälts fullständigt och ytor rengörs från kvarvarande vatten under cyklisk drift, vilket gör frostning av avfrostning till ett problem på flera miljarder dollar i USA

Nenad Miljkovic, tillsammans med forskare i hans grupp, har upptäckt ett sätt att avsevärt förbättra avfrostning av is och frost på värmeväxlare. Deras fynd, "Dynamisk avfrostning på superhydrofoba och bifila ytor, "har publicerats i Materia .

Avfrostning av värmeväxlare är en mycket ineffektiv process. Vanliga avfrostningsmetoder kräver inte bara betydande energi för att smälta frosten utan ytterligare energi för att avdunsta smält vatten från den vätbara ytan. Forskare har tidigare undersökt användningen av icke-vätbara ytor (hydrofoba eller superhydrofoba) för att fördröja frost och minska ishäftning, vilket verkligen förbättrar avfrostningens prestanda. Dock, vätskeansamling förblir utbredd på sådana värmeväxlare under frost, avfrostning, och återfrysta cykler.

I ett försök att eliminera vätskeansamling, Miljkovic och ett team under ledning av doktoranden Yashraj Gurumukhi och postdoktor Dr Soumyadip Sett studerade dynamisk avfrostning på heterogena ytor med rumsligt åtskilda vätbarhetsområden, känd som bifiliska ytor. Dessa bifiliska ytor har alternerande superhydrofoba (vattenavvisande) och hydrofila (vattenälskande) områden. Genom optisk avbildning, forskarna visade att under avfrostning, frostskiktet på en superhydrofob region smälter till ett mycket rörligt slask, som dras mot de hydrofila områdena av ytkrafter. Denna rörlighet möjliggör avlägsnande av slask från de superhydrofoba regionerna innan den helt smälter, därigenom rengör ytan. Vatten begränsas sedan till hydrofila områden, där det avdunstar snabbt på grund av den större kontaktytan.

Dessutom, för att optimera utformningen av deras bifiliska ytor och förstå effekterna av mönster heterogenitet, laget studerade bananbladinspirerade grenade bifila mönster för att avgöra om det skulle minska rengöringstiden. De observerade att binära bifiliska mönster var enklare att tillverka jämfört med grenade mönster och erbjöd bättre ytrengöring vid avfrostning.

"Avfrostningscykler kräver att systemen stängs av, frosten helt smälte, och ytor rengjorda innan systemet startas om, tar betydande tid och energi. Förbättrad rengöringseffektivitet genom att använda vätbarhetsmönstrade bifila ytor kan minska systemstopp och avfrostning av energi, vilket ökar den totala effektiviteten, "Sa Miljkovic.

I själva verket, i kombination med lämpliga storskaliga tillverkningsmetoder, bifiliska ytor har potential att överträffa homogena ytor när det gäller förbättringar av värmeöverföring och energikrav.

Deras arbete ger inte bara grundläggande designriktlinjer för tillverkning av bifiliska ytor, den illustrerar rollen för vätbarhetsgradienter för avfrostningsdynamik. Framtida arbete från forskarna kommer att minska avfrosttiden ytterligare genom att identifiera kritiska flaskhalsar i processen och tillhandahålla designmetoder för att skapa effektiva avfrostförstärkande ytor för industriella applikationer.