Superfícies e revestimentos repelentes de água podem tornar a remoção de gelo uma brisa literal, forçando o gelo a crescer em vez de apenas deslizar, diz um novo estudo da Universidade de Nebraska-Lincoln e várias instituições chinesas.

Os pesquisadores descobriram que o gelo cresce de forma diferente em superfícies absorventes e repelentes de água, demonstrando que uma rajada de ar pode afastar o gelo que se forma neste último. Suas descobertas sugerem que a aplicação de revestimentos repelentes de água aos pára-brisas antes das tempestades de inverno - ou superfícies de engenharia que repelem a água de maneira inerente - pode permitir que uma forte brisa lide com o fardo da remoção do gelo.

Experimentos e simulações mostraram que uma gota de água em uma superfície repelente congela para cima em uma formação microscópica de seis braços que se assemelha a um floco de neve idealizado, com apenas uma pequena porção de sua base aderindo à superfície. Isso faz sentido, visto que as gotas de água se acumulam em vez de se espalharem sobre as superfícies repelentes, disse o co-autor de Nebraska, Xiao Cheng Zeng.

Em contraste, gotículas em uma superfície absorvente cristalizaram em gelo que cresceu ao longo dessa superfície, tornando mais difícil remover. Simulações em nível molecular sugeriram que essas gotículas quase imediatamente começaram a formar duas camadas empilhadas de gelo hexagonal 2-D, uma forma que Zeng descobriu e apelidou de Gelo Nebraska. Este gelo ultrafino incentiva as moléculas de água a essencialmente patinar sobre ele e colonizar outras áreas da superfície, Zeng disse.

"Se a água e a superfície não tiverem muita química no começo - elas não gostam uma da outra - é como um divórcio ou separação, "disse Zeng, Professor da Universidade de Química do Chanceler. "Mas se eles gostam um do outro, eles se casam e ficam juntos por muito tempo.

"É quando o gelo cresce na superfície. No inverno, se você tem esse tipo de gelo no pára-brisa, você tem que usar um raspador para tirá-lo. "

Para a frente ou para cima

A temperatura e a pressão determinam principalmente como as gotículas de água se cristalizam ao ar livre, e essas variáveis ​​influenciam na formação de gelo em superfícies sólidas, Zeng disse. Mas o estudo da equipe sugere que o ângulo de contato de uma superfície - o ângulo formado onde uma gota de água encontra uma superfície sólida - determina se o gelo crescerá ao longo ou fora da superfície. Considerando que uma superfície hidrofílica permite que as gotículas se espalhem através dela em um pequeno ângulo de contato, uma superfície hidrofóbica repelente de água forçará as gotas a formarem um ângulo maior.

"Se a água congela de uma forma ou de outra, está na superfície, não a temperatura, "Zeng disse." É quase inteiramente dependente do ângulo de contato.

Em uma superfície sem defeitos fabricada em laboratório ou modelada em uma simulação de computador, transições de gelo de crescimento ao longo da superfície para fora da superfície em um ângulo de contato de algo entre 30 e 40 graus, a equipe encontrou. Os pesquisadores também descobriram que aumentar a rugosidade de uma superfície ao ampliar seus poros nanoscópicos na verdade diminuiu esse limite angular, o que significa que superfícies mais ásperas não precisam ser tão repelentes de água para promover o crescimento de gelo de remoção mais fácil.

Quebrando o gelo

Para comparar as duas formas de crescimento de gelo, os pesquisadores projetaram uma superfície transparente dividida em duas metades:uma hidrofílica, um hidrofóbico. Eles então conectaram uma câmera de alta velocidade a um microscópio, captura de vídeo dos respectivos processos de baixo e de um perfil lateral.

Quando os pesquisadores submeteram as duas metades a lufadas de ar, eles descobriram que o gelo abandonou a metade hidrofóbica, mas manteve-se firmemente no lado hidrofílico. E o gelo que avançou pela metade hidrofílica parou abruptamente quando se aproximou do território hidrofóbico.

“Há muito tempo as pessoas estudam como a água interage com as superfícies, muito tempo, "Zeng disse." Mas esse fenômeno estava fora do radar até agora. "

Zeng foi o autor do estudo com Chongqin Zhu de Nebraska, pesquisador de pós-doutorado em química; Joseph Francisco, reitor da Faculdade de Artes e Ciências; junto com colegas da Academia Chinesa de Ciências, Universidade de Tecnologia Química de Pequim, e a Universidade de Pequim. A equipe relatou suas descobertas no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences .