НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ материалы против обледенения

Статьи и публикации

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ материалы. НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ покрытия против ОБЛЕДЕНЕНИЯ и наледи. НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ нанотехнологииКаждый год наступающая зима у многих людей ассоциируется с обледеневшими дорогами, тротуарами и линиями электропередач. А люди, связанные с авиацией не понаслышке знают, к чему может привести обледенение самолета и в частности плоскостей и других поверхностей фюзеляжа самолета.

Самым традиционным методом для борьбы с обледенением дорог является рассыпание на их поверхности специальных химикатов или обычной соли. Но такая борьба с ОБЛЕДЕНЕНИЕМ является дорогим и трудоемким занятием - соль и химикаты оказывают негативное влияние на экологическую обстановку и вызывают усиленную коррозию кузовов автомобилей.

Но с ОБЛЕДЕНЕНИЕМ можно будет бороться и другими способами. Исследователи из Гарвардского университета совместно со специалистами Университета Висконсина разработали материалы со специальной структурой поверхности, которая препятствует формированию на ней ледяного слоя.

Исследователи на основе инновационной разработки получили наноструктурированные поверхности, устойчивые к обледенению.

Простые и давно известные способы борьбы с образованием льда - обработка химикатами и посыпание солью - не слишком эффективны и экологичны. «Мы хотели разработать технологию совершенно другого типа, которая будет устранять причины, а не последствия», - говорит руководитель работ Джоанна Айзенберг (Joanna Aizenberg).

Реализовать инновационную идею помогли наноструктурированные супер гидрофобные поверхности. «Взаимодействие неподвижных капель с переохлаждённой поверхностью изучено довольно хорошо, но нас интересовала динамика процесса, – рассказывает г-жа Айзенберг. - Всё, очевидно, начинается с того, что падающие капли сталкиваются с поверхностью. Этот процесс мы и моделировали».

Проведя серию экспериментов и записав их результаты на видео, учёные добились того, что ударяющиеся о наноструктурированную поверхность капли просто отталкивались ею, не успевая застыть. Тестирование разных типов структур показало, что неразрывные узоры с ячейками в виде шестигранников или прямоугольников прекрасно подходят для создания надёжных супер гидрофобных поверхностей, которые выдерживают «бомбардировку» каплями, падающими с высокой скоростью. Такие образцы оставались свободными ото льда в случае охлаждения до –25 - –30оC, при дальнейшем понижении температуры лёд всё же образовывался, но удалить его было довольно легко.

Таким образом, ученым удалось создать наноструктурированный материал, структура которого на молекулярном уровне не позволяет образовываться наледи. Потенциальное применение наноструктурированного покрытия – от ступенек зданий и автодорог до крыльев самолетов и летательных аппаратов.

ОБЛЕДЕНЕНИЕ и образование наледи на поверхности изделий практически исключено благодаря разработанному материалу на основе кремния. Если изделия из такого вещества охладить до температур ниже нуля и начать поливать водой или обдувать влажным воздухом, никакой ледяной корки на них не появится. И хотя на практике говорить о возможном его применении пока что преждевременно, так как неясно, будет ли материал достаточно доступен по цене, технически возможность полностью ликвидировать опасные ледяные наросты уже появилась.

В сообщении Гарвардского университета особо подчеркивается, что использованный авторами разработки подход к борьбе с обледенением имеет ряд бесспорных преимуществ над традиционными решениями. Образование наледи исключается не за счет нагрева или обработки какими-либо реактивами, а за счет особой структуры поверхности, поэтому нет нужды ни в небезупречных с экологической точки зрения растворах, ни в постоянно включенных обогревателях. Даже там, где затраты на электричество далеко не принципиальны, например в антиобледенительных системах самолетов, способность материала самостоятельно справляться с ОБЛЕДЕНЕНИЕМ окажется весьма полезной - ведь нагреватель, в конце концов, может и выйти из строя.

Секрет наноструктурированного материала

В основе разработки лежат нанотехнологии – манипуляции с веществом, направленные на создание различного рода упорядоченных структур с размерами меньше десятой доли микрометра.

Ученые взяли кремниевую пластину, добавили в кремний атомы фтора и, потом выстроили на поверхности разнообразные узоры из выступающих участков. Внешне такая наноструктурированная поверхность стала напоминать пчелиные соты или кирпичную кладку, при этом было испробовано несколько разных схем. На первый взгляд, такая обработка никак не могла сделать материал невосприимчивым ко льду - интуиция скорее подсказывает, что от рифленой поверхности отодрать ледяные наросты должно быть не проще, а сложнее.

Однако поскольку размер неровностей был крайне мал, это радикально изменило характер взаимодействия наноструктурированного материала с водой и льдом – сработал эффект перехода к наномасштабам, из-за которого термин «нанотехнологии» и получил известность.

Капли воды, падающей на поверхность, сначала растекаются по микроскопическим выступам, а потом силы межмолекулярного взаимодействия снова собирают жидкость в сферическую каплю, которая уже не удерживается на поверхности, а скатывается с нее, не успев замерзнуть. Если же температура слишком низка, капля превращается в округлую и слабо сцепленную с поверхностью частичку льда, которую легко сдует ветер или смахнет стеклоочиститель.

Для наглядности ученые приводят в пример фасеточные глаза комаров и других насекомых – аналогичная структура в виде множество микроскопических волосков делает важный орган практически не подверженным оседанию влаги.

Чтобы понять, как можно использовать подобный эффект на практике в борьбе с ОБЛЕДЕНЕНИЕМ чего-либо, исследователи сначала изучили процесс формирования отдельных зерен льда на поверхности материалов, а потом принялись по-разному менять структуру этой поверхности.

Нанотехнологии в массы

Работа ученых сделана на деньги военных – агентства перспективных исследований DARPA и департамента национальной безопасности. Их интерес к подобной теме понятен - наледь образуется не только на тротуарах, но и на боевых летательных аппаратах, где она способна привести не только к поломке, но и к катастрофе.

Но понятно и то, что поверхности, на которых льда не будет в принципе или на которых вместо ледяной корки образуется лишь мелкая изморозь, которую можно легко смахнуть веником, - пригодятся всем. Проблема массового использования наноструктурированного материала – большая стоимость - кремний с добавками фтора все же дороговат для дорог и шоссе. Но если технологию удастся сделать достаточно массовой, то в будущем можно будет избавиться от противогололедных реактивов и радикально сократить количество дворников, ведь скалывать лед уже не потребуется.

По собственному утверждению авторов, они уже готовят технологию к практическому применению и испытывают наноструктурированные поверхности в реальных задачах.