När amerikanerna rustar för vintern kommer många att möta en av sina tuffaste fiender:is. Från att försena flyg till att göra vägar hala, isansamling på ytor orsakar förödelse på många sätt.
Men all is är inte skapad lika. I ny forskning från University of Illinois Chicago studerade forskare hur klibbig is som innehåller vardagliga föroreningar som salt, tvål och alkohol. De flesta laboratoriestudier testar vanligtvis is gjord av rent vatten, men i naturen är isen sällan ren.
"Oavsett om det är smutsiga trottoarer eller skrovet på arktiska marina fartyg, det finns alltid föroreningar där", säger seniorförfattaren Sushant Anand, docent i maskin- och industriteknik vid UIC. "Så, den naturliga frågan som kommer att tänka på är:Vilken påverkan har dessa föreningar på hur starkt is fastnar på ytor?"
Anands laboratorium preparerade is med varierande koncentrationer av föroreningar och testade hur starkt de höll fast vid olika industrimaterial. Överraskande nog fann de att oren is var mycket mindre klibbig än is gjord av rent vatten under vissa förhållanden.
Orsaken till denna halka spårades tillbaka till hur vatten fryser när det innehåller föroreningar och den unika strukturen där is vidrör ett fast material, kallat ett kvasi-flytande lager.
"Isregionen nära ett fast ämne har vätskeliknande egenskaper, och dess tjocklek kan bidra till hur tätt ispinnar," sa Anand. "Men den här regionen är verkligen svår att analysera genom experiment."
Så han slog sig ihop med UIC-kollegan Subramanian Sankaranarayanan och hans grupp vid UIC/Argonne National Laboratory för att studera detta lager och hur det förändras med olika nivåer av föroreningar, med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik. De fann att när orent vatten fryser driver det ut föroreningar som rinner ut längs kanaler och iskorns gränser mot isbasen, där det bildar ett vätskeskikt som ger isen extra hal.
"Dessa insikter kan leda till utformningen av nästa generations vinteriseringstekniker som långsamt släpper ut föroreningar för att främja lätt isfällning", säger doktorsexamen. student Rukmava Chatterjee, första författare till tidningen.
De överraskande testresultaten väckte en annan fråga:Om små saltkoncentrationer gör att isen mindre riskerar att fastna på ytor, varför kämpar fartyg i arktiska klimat som seglar genom saltvatten fortfarande med isbildning?
Experiment visade att vattenfrysningshastigheten kan påverka hur föroreningar migrerar till regioner där is vidrör ett fast ämne. En långsam frysprocess orsakar isolering av föroreningar i koncentrerade fickor eller till och med fullständig utdrivning, vilket ger renare och starkare is. Snabbare frysning bevarar föroreningarna i isen och deras ansamling vid gränsytan mellan is och fast material, vilket leder till svagare vidhäftning.
"Vår studie representerar bara toppen av ett isberg och öppnar nya undersökningslinjer för hur oren is fäster med omfattande implikationer över flera discipliner," sa Anand.
Resultaten publiceras i tidskriften Materials Horizons .
Mer information: Rukmava Chatterjee et al, Vidhäftning av oren is på ytor, Material Horizons (2023). DOI:10.1039/D3MH01440A
Journalinformation: Material Horizons
Tillhandahålls av University of Illinois i Chicago
