(PhysOrg.com) -- Ingenjörer från Harvard University har designat och demonstrerat isfria nanostrukturerade material som bokstavligen stöter bort vattendroppar innan de ens har chansen att frysa.

Fyndet, rapporterade online i ACS Nano den 9 november, kan leda till ett nytt sätt att behålla flygplansvingar, byggnader, kraftledningar, och även hela motorvägar fria från is under det värsta vintervädret. Dessutom, Att integrera anti-isteknologi direkt i ett material är mer effektivt och hållbart än konventionella lösningar som kemiska sprayer, salt, och uppvärmning.

Ett team under ledning av Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) och en kärnmedlem i Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard, fokuserade på att förebygga snarare än att bekämpa isuppbyggnad.

"Vi ville ta en helt annan klibb- och designmaterial som i sig förhindrar isbildning genom att stöta bort vattendropparna, " säger Aizenberg. "Från tidigare studier, vi insåg också att bildandet av is inte är en statisk händelse. Det avgörande tillvägagångssättet var att undersöka hela den dynamiska processen för hur droppar påverkar och fryser på en underkyld yta. "

För första inspiration, forskarna vände sig till några eleganta lösningar som ses i naturen. Till exempel, myggor kan imma sina ögon, och vattenstridare kan hålla sina ben torra tack vare en rad små borst som stöter bort droppar genom att minska ytan som var och en möter.

"Frysning börjar med att droppar kolliderar med en yta, " förklarar Aizenberg. "Men väldigt lite är känt om vad som händer när droppar träffar ytor vid låga temperaturer."

För att få en detaljerad förståelse av processen, forskarna tittade på höghastighetsvideor av underkylda droppar som träffade ytor som var modellerade efter de som finns i naturen. De såg att när en kall droppe träffar den nanostrukturerade ytan, det sprider sig först, men sedan går processen i omvänd riktning:droppen dras tillbaka till en sfärisk form och studsar tillbaka från ytan innan den någonsin har en chans att frysa.

Däremot på en slät yta utan de strukturerade egenskaperna, en droppe förblir utspridda och fryser så småningom.

"Vi tillverkade ytor med olika geometrier och funktionsstorlekar - borst, blad, och sammankopplade mönster som bikakor och tegelstenar – för att testa och förstå parametrar som är avgörande för optimering, " säger Lidiya Mishchenko, en doktorand i Aizenbergs labb och första författare till tidningen.

Användningen av sådana exakt konstruerade material gjorde det möjligt för forskarna att modellera det dynamiska beteendet hos träffande droppar på en fantastisk detaljnivå, vilket leder dem till att skapa en bättre design för isförebyggande material.

En annan viktig fördel med att testa en mängd olika strukturer, Mishchenko tillägger, var att det gjorde det möjligt för laget att optimera för tryckstabilitet. De upptäckte att strukturerna som består av sammankopplade mönster var idealiska för stabila, vätskeavstötande ytor som tål kraftiga droppkollisioner, till exempel de man stöter på i ösregn eller av flygplan under flygning.

De nanostrukturerade materialen förhindrar bildandet av is även ner till temperaturer så låga som -25 till -30 grader Celsius. Under det, på grund av den minskade kontaktytan som hindrar dropparna från att helt väta ytan, all is som bildas fastnar inte bra och är mycket lättare att ta bort än de envisa arken som kan bildas på plana ytor.

"Vi ser det här tillvägagångssättet som en radikal och välbehövlig förändring av anti-isteknologier, ", säger Aizenberg. "Konceptet med friktionsfria ytor som avleder underkylda vattendroppar innan iskärnbildning ens kan inträffa är mer än bara en teori eller ett proof-of-princip experiment. Vi har börjat testa denna lovande teknik i verkliga miljöer för att ge ett omfattande ramverk för att optimera dessa robusta isfria ytor för ett brett spektrum av applikationer, som var och en kan ha en specifik uppsättning prestandakrav."

I jämförelse med traditionella isförebyggande eller borttagningsmetoder som saltning eller uppvärmning, metoden för nanostrukturerade material är effektiv, giftfri, och miljövänlig. Ytterligare, när kemikalier används för att avisning av ett plan, till exempel, de kan tvättas bort i miljön och deras bortskaffande måste övervakas noggrant. Liknande, salt på vägar kan leda till korrosion och avrinningsproblem i lokala vattentäkter.

Forskarna förutser att med sin förbättrade förståelse av isbildningsprocessen, en ny typ av beläggning integrerad direkt i en mängd olika material kan snart utvecklas och kommersialiseras.