Superfici che tengono lontano il ghiaccio

Il ghiaccio è un fatto pericoloso della vita invernale, che crea scompiglio con strade, linee di servizio, edifici e viaggi aerei. I metodi convenzionali per eliminare il ghiaccio, come il riscaldamento diretto, l'applicazione di sale o l'uso di sostanze chimiche per innescare lo scioglimento, hanno tutti degli svantaggi: possono corrodere i materiali su cui vengono applicati e danneggiare l'ambiente, e sono solo modestamente o temporaneamente efficace. Ma gli scienziati di Harvard affermano di aver creato materiali che possono prevenire la formazione di ghiaccio sulle superfici in primo luogo.

Tieni il ghiaccio: Le superfici convenzionali consentono alle goccioline di ghiaccio (a sinistra) di afferrare e formare fogli (al centro), ma la rugosità su scala nanometrica sulla superficie impedisce la formazione di ghiaccio.

I ricercatori affermano la loro svolta, riportata nell'ultimo numero di ACS Nano , potrebbe applicarsi non solo all'aviazione, ma anche alla pavimentazione stradale, all'edilizia, alla trasmissione di energia e praticamente a qualsiasi altra industria per la quale lo sbrinamento chimico e fisico è un problema. Quello che vogliamo fare è che il ghiaccio non si formi affatto, afferma Joanna Aizenberg, scienziata dei materiali e leader del progetto.

Questa storia faceva parte del nostro numero di novembre 2011

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Quando una goccia di ghiaccio incipiente colpisce una superficie convenzionale, si allarga e si aggrappa, diventando una base per l'aggregazione di più goccioline e infine una lastra di ghiaccio. Ma le superfici di Aizenberg sono super idrofobiche, che letteralmente significa molta paura dell'acqua. Contengono motivi geometrici di dimensioni micron, inclusi pali, mattoni e altre strutture, che fanno rimbalzare le goccioline prima che possano aderire. La caratteristica chiave è che progettiamo queste strutture in modo che siano quasi prive di attrito, spiega Aizenberg. Le goccioline vengono deviate efficacemente prima che possa verificarsi la formazione di ghiaccio.

Nei test, Aizenberg e i suoi colleghi hanno scoperto che i loro materiali resistono all'accumulo di ghiaccio fino a quando la temperatura non scende a circa -30° C. È molto più freddo di quasi qualsiasi ambiente industriale, osserva. Anche a temperature ultra-basse, quando la proprietà antigelo inizia a cedere, non tutto è perduto. Il ghiaccio che si forma ha una presa debole, che richiede una piccola frazione, meno del 10%, della normale forza necessaria per rimuoverlo dalle superfici tradizionali. È molto facile da rimuovere perché è solo a contatto con la superficie all'estremità di queste caratteristiche nanostrutturate, afferma Aizenberg. Può essere rimosso solo dal flusso d'aria.

Le nanostrutture possono essere incise o modellate in metallo, gomma o altre sostanze, aggiunge Aizenberg, il cui gruppo ha richiesto un brevetto sul metodo e prevede di commercializzarlo. Non è chiaro quanto costerebbe aggiungere resistenza al ghiaccio su una determinata superficie, afferma Aizenberg, ma prevede che sarà abbastanza bassa da non scoraggiarne l'uso. Inoltre, è ancora da testare se un'applicazione superficiale delle nanostrutture richiederebbe un aggiornamento periodico. Il suo team sta conducendo studi nelle gallerie del vento per vedere quanto siano durevoli i materiali, analizzando la loro capacità di resistere alle alte velocità e ad altre sollecitazioni del mondo reale.

Sebbene gli aeroplani siano una destinazione ovvia per i materiali che bloccano il ghiaccio, Aizenberg afferma che un'altra importante applicazione sarebbe nell'edilizia. L'accumulo di ghiaccio sui tetti può minacciare la loro integrità strutturale. Le superfici del tetto che si sono scrollate di dosso dal ghiaccio potrebbero evitare crolli catastrofici.

Matthew Herman, un fisico edile con la società di ingegneria internazionale Buro Happold, afferma che la tecnologia repellente per il ghiaccio sarebbe estremamente utile per i grandi edifici. Molti edifici storici di New York, Boston e Chicago sono costruiti utilizzando sporgenze, afferma Herman. Sono belli per creare ombre e texture, ma permettono alla neve di accumularsi. Alla fine ottieni abbastanza acqua e ghiaccio seduto su una sporgenza che può cadere, e devi montare un'impalcatura o una tettoia per proteggere le persone sottostanti.

Howard Stone, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale alla Princeton University, afferma che il lavoro meravigliosamente creativo di Aizenberg presenta molteplici opportunità commerciali. Si chiedeva se l'applicazione di materiali resistenti al ghiaccio avrebbe alterato il comportamento aerodinamico di una superficie come un'ala di aereo, ma Aizenberg e i suoi colleghi hanno esaminato la questione in profondità e affermano che l'aerodinamica probabilmente non sarà influenzata. Hanno in programma di pubblicare quei dati in un prossimo documento.

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