Vattenavvisande ytor och beläggningar kan göra isborttagning till en riktig bris genom att tvinga isen att växa upp istället för att bara åka förbi, säger en ny studie från University of Nebraska-Lincoln och flera kinesiska institutioner.

Forskarna upptäckte att is växer olika på absorberande ytor jämfört med vattenavvisande ytor, visar att en vindpust kan blåsa bort is som bildas på den senare. Deras resultat tyder på att applicering av vattenavvisande beläggningar på vindrutor före vinterstormar - eller tekniska ytor som i sig avvisar vatten - kan möjliggöra en stark bris för att hantera bördan av isborttagning.

Experiment och simuleringar visade att en vattendroppe på en avvisande yta kommer att frysa uppåt till en mikroskopisk sexarmad formation som liknar en idealiserad snöflinga, med endast en liten del av dess bas vidhäftande till ytan. Detta är vettigt med tanke på att vattendroppar pärlar upp sig snarare än sprids ut över avvisande ytor, sa Nebraskas medförfattare Xiao Cheng Zeng.

I kontrast, droppar på en absorberande yta kristalliserade till is som växte längs den ytan, gör det svårare att ta bort. Simuleringar på molekylär nivå antydde att dessa droppar nästan omedelbart började bilda två staplade lager av hexagonal 2D-is, en form som Zeng tidigare upptäckt och dubbat Nebraska Ice. Denna ultratunna is uppmuntrar vattenmolekyler att i huvudsak åka skridskor över den och kolonisera andra områden på ytan, sa Zeng.

"Om vattnet och ytan inte har mycket kemi i början - de gillar inte varandra - är det ungefär som en skilsmässa eller separation, sa Zeng, Kanslers universitet professor i kemi. "Men om de gillar varandra, de gifter sig och blir tillsammans länge.

"Det är då isen växer längs ytan. På vintern, om du har den typen av is på en vindruta, du måste använda en skrapa för att få bort den."

Uppåt eller uppåt

Temperatur och tryck dikterar mest hur vattendroppar kristalliserar i friluft, och dessa variabler påverkar isbildning på fasta ytor, sa Zeng. Men lagets studie tyder på att en ytas kontaktvinkel - den vinkel som bildas där en vattendroppe möter en fast yta - avgör om is kommer att växa längs med eller utanför ytan. Medan en hydrofil yta tillåter droppar att spridas över den i en liten kontaktvinkel, en vattenavvisande hydrofob yta kommer att tvinga droppar att pärla upp sig och bilda en större vinkel.

"Om vatten fryser på ett eller annat sätt är upp till ytan, inte temperaturen, " sa Zeng. "Det är nästan helt beroende av kontaktvinkeln."

På en defektfri yta tillverkad i labbet eller modellerad i en datorsimulering, is övergår från tillväxt längs ytan till utanför ytan vid en kontaktvinkel på någonstans mellan 30 och 40 grader, laget hittade. Forskarna upptäckte också att ökad grovhet på en yta genom att förstora dess nanoskopiska porer faktiskt minskade denna vinkeltröskel, vilket innebär att grövre ytor inte behöver vara lika vattenavvisande för att främja tillväxten av is som är lättare att ta bort.

Bryta isen

För att jämföra de två formerna av istillväxt, forskarna designade en transparent yta delad i halvor:en hydrofil, en hydrofob. De fäste sedan en höghastighetskamera till ett mikroskop, fånga video av respektive processer både underifrån och från en sidoprofil.

När forskarna utsatte båda halvorna för luftpust, de fann att isen övergav den hydrofoba halvan men höll fast vid den hydrofila sidan. Och is som avancerade över den hydrofila halvan stannade plötsligt när den närmade sig hydrofobt territorium.

"Människor har studerat hur vatten interagerar med ytor under lång tid, länge sedan, " sa Zeng. "Men det här fenomenet var borta från radarn tills nu."

Zeng skrev studien med Nebraskas Chongqin Zhu, postdoktor i kemi; Joseph Francisco, dekanus vid College of Arts and Sciences; tillsammans med kollegor från den kinesiska vetenskapsakademin, Beijing University of Chemical Technology, och Pekings universitet. Teamet rapporterade sina resultat i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences .