Si alguna vez esperó en la pista de un aeropuerto a que descongelaran su avión, tuvo que retirar toda la comida para que el congelador se descongelara o llegó tarde al trabajo porque tuvo que raspar la capa de hielo de su automóvilparabrisas, sabes que el hielo puede causar grandes dolores de cabeza.
"La gente sabe intuitivamente que las heladas pueden ser malas", dijo Amy Betz, profesora de ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Kansas. Betz y sus colegas han creado una superficie que puede retrasar significativamente la formación de heladas, incluso a temperaturas de hasta 6 gradosCelsius por debajo del punto de congelación. La superficie es bifílica, lo que significa que repele el agua en algunas áreas y la atrae en otras. Los investigadores describen sus resultados en un artículo de la revista Letras de física aplicada , de AIP Publishing.
Investigaciones anteriores de otros grupos se han centrado principalmente en las propiedades de prevención de las heladas de las superficies superhidrofóbicas ultra repelentes al agua. En general, las superficies funcionan al repeler las gotas de agua antes de que tengan tiempo de congelarse. Sin embargo, hay poca investigaciónen superficies que mezclan áreas hidrofóbicas e hidrofílicas.
Betz tenía experiencia trabajando con superficies bifílicas para experimentos de ebullición; en 2012, ella y sus colegas descubrieron que las superficies superhidrofílicas con manchas de hexaganol superhidrofóbicas producían la transferencia de calor más eficiente durante la ebullición, en comparación con las superficies con humectabilidad uniforme. Se preguntó cómosuperficies similares de "personalidad dividida" afectarían la formación de hielo.
Betz, junto con la profesora de ingeniería mecánica Melanie Derby de la Universidad Estatal de Kansas y los estudiantes Alexander Van Dyke y Diane Collard, crearon tres patrones de superficies bifílicas diferentes. Cada superficie constaba de círculos hidrofílicos sobre un fondo hidrofóbico. Para dos de las superficies, elLos círculos tenían 200 micrómetros de diámetro y estaban dispuestos en una cuadrícula uniforme, como los puntos en el lado 4 de los dados, o escalonados, como los puntos en el lado 5 de los dados. La tercera superficie consistía en una superficie más pequeña, de 25 micrómetroscírculos en una cuadrícula uniforme. Los investigadores también hicieron una superficie puramente hidrofóbica y una superficie puramente hidrofílica.
Luego, el equipo probó las superficies colocándolas en una cámara en un rango de temperaturas y humedades establecidas y esperando tres horas para ver si se formaba escarcha. Los cristales de hielo aparecieron a las temperaturas más cálidas para la superficie hidrófila, aproximadamente a 12 grados Celsius por debajo del punto de congelación. La superficie hidrófoba redujo la temperatura necesaria para congelar en el período de tres horas en aproximadamente 1 grado Celsius adicional. Pero las superficies bifílicas tuvieron el mayor éxito. Con una humedad relativa del 60 por ciento, las tres superficies bifílicas requeríantemperaturas de alrededor de 6 grados bajo cero antes de que se forme hielo en la ventana de tres horas.
Los investigadores atribuyen las propiedades antihielo a la dinámica inusual de condensación y coalescencia en las superficies bifílicas. Inicialmente se formaron pequeñas gotas de aproximadamente 5 micrómetros de diámetro en las áreas hidrofóbicas e hidrofílicas, dijo Betz, pero a medida que las gotitas crecieron, se fusionaroncon otras gotas, y quedó confinado a los puntos hidrófilos. Cada vez que una gota se fusionó con otra gota, liberó energía retenida por la tensión superficial, porque el área de superficie de la nueva gota era más pequeña que el área de superficie combinada de las dos gotas antes de fusionarseLa nueva gota también era más grande, lo que aumentó la eliminación de energía necesaria para congelarla. Ambos factores retrasaron la congelación de las gotas, dijeron los investigadores.
Los investigadores creen que pueden cambiar el patrón bifílico para aprovechar al máximo el retraso por congelación que proporcionan las gotas coalescentes. "Actualmente estamos trabajando en una forma de estrella que debería maximizar la coalescencia", dijo Betz. Los tamaños y formas de las superficiesTambién podría ajustarse para resistir mejor las heladas en entornos de temperatura y humedad particulares.
Los investigadores hicieron las superficies a partir de obleas de silicio y una capa delgada de una sustancia química hidrófoba que se usa comúnmente en la industria de los semiconductores. Las superficies eran lo suficientemente fuertes como para soportar cientos de horas de pruebas durante dos años, pero Betz dijo que probablemente los materiales más robustosser utilizado para aplicaciones comerciales de superficies resistentes a las heladas. Dijo que las alas de los aviones son una aplicación obvia, pero hay muchas otras, incluso en refrigeradores, acondicionadores de aire y condensadores enfriados por aire en plantas de energía.
"Hace calor y humedad en Kansas y el verano que me mudé aquí por primera vez, mucha gente tenía problemas con sus unidades de aire acondicionado que se congelaban", dijo Betz, refiriéndose a un problema común en el que el flujo de aire insuficiente o los niveles bajos de refrigerante hacen que el hielose acumulan en las unidades de aire acondicionado, lo que obliga a los propietarios a apagar las unidades para descongelarlas. "Quizás una superficie bifílica podría ayudar".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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