Oberflächen, die das Eis fernhalten

Eis ist eine gefährliche Tatsache im Winterleben, die Straßen, Versorgungsleitungen, Gebäude und Flugreisen verwüstet. Herkömmliche Methoden zur Entfernung des Eises, wie direktes Erhitzen, Auftragen von Salz oder die Verwendung von Chemikalien, um das Schmelzen auszulösen, haben alle Nachteile: Sie können die Materialien, auf die sie aufgetragen werden, korrodieren und die Umwelt schädigen, und sie sind nur bescheiden oder vorübergehend wirksam. Harvard-Wissenschaftler sagen jedoch, dass sie Materialien entwickelt haben, die die Eisbildung auf Oberflächen von vornherein verhindern können.

Halte das Eis: Herkömmliche Oberflächen ermöglichen es Eiströpfchen (links), sich festzuhalten und Platten zu bilden (Mitte), aber nanoskalige Rauhigkeiten an der Oberfläche verhindern die Bildung von Eis.

Die Forscher sagen ihren Durchbruch, berichtet in der neuesten Ausgabe von ACS Nano , könnte nicht nur für die Luftfahrt gelten, sondern auch für den Straßenbau, das Bauwesen, die Kraftübertragung und praktisch jede andere Industrie, für die chemische und physikalische Enteisung von Bedeutung ist. Wir wollen, dass sich überhaupt kein Eis bildet, sagt Joanna Aizenberg, Materialwissenschaftlerin und Projektleiterin.



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Diese Geschichte war Teil unserer November-Ausgabe 2011

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Wenn ein beginnender Eistropfen auf eine herkömmliche Oberfläche trifft, breitet er sich aus und greift sich an und wird zu einer Basis für die Aggregation weiterer Tropfen und schließlich zu einer Eisschicht. Aber die Oberflächen von Aizenberg sind superhydrophob, was wörtlich bedeutet, dass sie sehr wasserscheu sind. Sie enthalten geometrische Muster im Mikrometerbereich, darunter Pfosten, Ziegel und andere Strukturen, die dazu führen, dass Tröpfchen abprallen, bevor sie anhaften können. Entscheidend ist, dass wir diese Strukturen nahezu reibungsfrei gestalten, erklärt Aizenberg. Die Tröpfchen werden effektiv abgelenkt, bevor es zu einer Eisbildung kommen kann.

In Tests haben Aizenberg und ihre Kollegen festgestellt, dass ihre Materialien Eisansammlungen widerstehen, bis die Temperatur auf etwa -30° C sinkt. Das ist weit kälter als in fast jeder industriellen Umgebung, bemerkt sie. Selbst bei extrem niedrigen Temperaturen, wenn die Eisabweisung nachlässt, ist noch nicht alles verloren. Das sich bildende Eis hat einen schwachen Grip und erfordert einen kleinen Bruchteil – weniger als 10 Prozent – ​​der normalen Kraft, die erforderlich ist, um es von herkömmlichen Oberflächen zu entfernen. Es lässt sich sehr leicht abziehen, weil es nur an den Spitzen dieser nanostrukturierten Strukturen die Oberfläche berührt, sagt Aizenberg. Es kann nur durch den Luftstrom entfernt werden.

Die Nanostrukturen können in Metall, Gummi oder andere Stoffe geätzt oder geformt werden, ergänzt Aizenberg, dessen Gruppe das Verfahren zum Patent angemeldet hat und es kommerzialisieren will. Es ist nicht klar, wie viel es kosten würde, einer bestimmten Oberfläche Eiswiderstand zu verleihen, sagt Aizenberg, aber sie sagt voraus, dass er niedrig genug sein wird, um seine Verwendung nicht zu entmutigen. Ebenfalls noch zu prüfen ist, ob ein oberflächliches Aufbringen der Nanostrukturen eine periodische Auffrischung erfordern würde. Ihr Team führt Studien in Windkanälen durch, um zu sehen, wie langlebig die Materialien sind, und analysiert ihre Fähigkeit, hohen Geschwindigkeiten und anderen Belastungen aus der realen Welt standzuhalten.

Obwohl Flugzeuge ein offensichtliches Ziel für eisblockierende Materialien sind, sagt Aizenberg, dass eine andere wichtige Anwendung im Bauwesen liegen würde. Die Ansammlung von Eis auf Dächern kann deren strukturelle Integrität gefährden. Vom Eis abgeschüttelte Dachflächen könnten katastrophale Einbrüche verhindern.

Matthew Herman, Bauphysiker beim internationalen Ingenieurbüro Buro Happold, sagt, dass eisabweisende Technologie für große Gebäude äußerst nützlich wäre. Viele historische Gebäude in New York, Boston und Chicago werden auf Simsen gebaut, sagt Herman. Sie sind schön, um Schatten und Texturen zu erzeugen, aber sie ermöglichen es, dass sich Schnee ansammelt. Irgendwann bekommt man genug Wasser und Eis, das auf einem Felsvorsprung sitzt, dass er herunterfallen kann, und man muss ein Gerüst oder eine Überdachung aufstellen, um die Menschen darunter zu schützen.

Howard Stone, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Princeton University, sagt, dass Aizenbergs wunderbar kreative Arbeit zahlreiche kommerzielle Möglichkeiten bietet. Er fragte sich, ob der Einsatz eisbeständiger Materialien das aerodynamische Verhalten einer Oberfläche wie eines Flugzeugflügels verändern würde, aber Aizenberg und ihre Kollegen haben die Frage eingehend geprüft und sagen, dass die Aerodynamik wahrscheinlich nicht beeinflusst wird. Sie planen, diese Daten in einem demnächst erscheinenden Papier zu veröffentlichen.

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