p (PhysOrg.com) - Engenheiros da Universidade de Harvard projetaram e demonstraram materiais nanoestruturados sem gelo que literalmente repelem as gotas de água antes mesmo de terem a chance de congelar. p A descoberta, relatado online em ACS Nano em 9 de novembro, pode levar a uma nova maneira de manter as asas do avião, edifícios, linhas de força, e até estradas inteiras sem gelo durante o pior inverno. Além disso, integrar a tecnologia anti-gelo em um material é mais eficiente e sustentável do que soluções convencionais, como sprays químicos, sal, e aquecimento.

p Uma equipe liderada por Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professora de Ciência de Materiais na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard (SEAS) e membro do Instituto Wyss de Engenharia Inspirada na Biologia de Harvard, focado em prevenir ao invés de combater o acúmulo de gelo.

p "Queríamos ter uma abordagem completamente diferente e projetar materiais que previnam inerentemente a formação de gelo, repelindo as gotas de água, "diz Aizenberg." De estudos anteriores, também percebemos que a formação de gelo não é um evento estático. A abordagem crucial era investigar todo o processo dinâmico de como as gotículas impactam e congelam em uma superfície super-resfriada. "

p Para inspiração inicial, os pesquisadores se voltaram para algumas soluções elegantes vistas na natureza. Por exemplo, mosquitos podem descongelar seus olhos, e os striders aquáticos podem manter as pernas secas graças a um conjunto de pequenas cerdas que repelem as gotas, reduzindo a área de superfície que cada um encontra.

p "O congelamento começa com as gotículas colidindo com a superfície, "explica Aizenberg." Mas muito pouco se sabe sobre o que acontece quando as gotas atingem a superfície em baixas temperaturas. "

p Para obter uma compreensão detalhada do processo, os pesquisadores assistiram a vídeos em alta velocidade de gotículas super-resfriadas atingindo superfícies modeladas a partir das encontradas na natureza. Eles viram que quando uma gota fria atinge a superfície nanoestruturada, primeiro se espalha, mas então o processo funciona ao contrário:a gota se retrai para uma forma esférica e salta para fora da superfície antes mesmo de ter a chance de congelar.

p Por contraste, em uma superfície lisa sem as propriedades estruturadas, uma gota permanece espalhada e, eventualmente, congela.

p "Fabricamos superfícies com várias geometrias e tamanhos de recursos - cerdas, lâminas, e padrões interconectados, como favos de mel e tijolos - para testar e compreender os parâmetros essenciais para a otimização, "diz Lidiya Mishchenko, um estudante de pós-graduação no laboratório de Aizenberg e primeiro autor do artigo.

p O uso de tais materiais precisamente projetados permitiu aos pesquisadores modelar o comportamento dinâmico de gotas impactantes em um nível de detalhe incrível, levando-os a criar um design melhor para materiais de prevenção de gelo.

p Outro benefício importante de testar uma ampla variedade de estruturas, Mishchenko acrescenta, foi que permitiu à equipe otimizar a estabilidade de pressão. Eles descobriram que as estruturas compostas por padrões interconectados eram ideais para estabilidade, superfícies repelentes de líquidos que podem suportar colisões de gotículas de alto impacto, como aqueles encontrados em chuva forte ou por aviões em vôo.

p Os materiais nanoestruturados evitam a formação de gelo mesmo em temperaturas tão baixas quanto -25 a -30 graus Celsius. Abaixo disso, devido à área de contato reduzida que evita que as gotas molhem totalmente a superfície, qualquer gelo que se forme não adere bem e é muito mais fácil de remover do que as camadas teimosas que podem se formar em superfícies planas.

p "Vemos essa abordagem como uma mudança radical e muito necessária nas tecnologias anti-gelo, "diz Aizenberg." O conceito de superfícies livres de atrito que desviam as gotas de água super-resfriadas antes que a nucleação do gelo possa ocorrer é mais do que apenas uma teoria ou experimentos de prova de princípio. Começamos a testar esta tecnologia promissora em configurações do mundo real para fornecer uma estrutura abrangente para otimizar essas superfícies robustas sem gelo para uma ampla gama de aplicações, cada um dos quais pode ter um conjunto específico de requisitos de desempenho. "

p Em comparação com métodos tradicionais de prevenção ou remoção de gelo, como salga ou aquecimento, a abordagem de materiais nanoestruturados é eficiente, não tóxico, e amigo do ambiente. Avançar, quando produtos químicos são usados ​​para descongelar um avião, por exemplo, eles podem ser levados para o meio ambiente e seu descarte deve ser cuidadosamente monitorado. De forma similar, o sal nas estradas pode causar corrosão e problemas de escoamento nas fontes de água locais.

p Os pesquisadores prevêem que, com sua melhor compreensão do processo de formação de gelo, um novo tipo de revestimento integrado diretamente em uma variedade de materiais poderia em breve ser desenvolvido e comercializado.