Virsmas, kas pasargā ledu

Ledus ir bīstams ziemas dzīves fakts, kas izposta ceļus, inženierkomunikācijas, ēkas un gaisa satiksmi. Tradicionālās metodes, kā atbrīvoties no ledus, piemēram, tieša karsēšana, sāls uzklāšana vai ķimikāliju izmantošana, lai izraisītu kušanu, visas ir saistītas: tās var korozēt materiālus, uz kuriem tie tiek uzklāti, un kaitēt videi, turklāt tie ir tikai pieticīgi vai īslaicīgi spēkā. Taču Hārvardas zinātnieki apgalvo, ka ir radījuši materiālus, kas, pirmkārt, var novērst ledus veidošanos uz virsmām.

Turiet ledu: Parastās virsmas ļauj ledus pilieniem (pa kreisi) satvert un veidot loksnes (centrā), bet nanomēroga nelīdzenums uz virsmas novērš ledus veidošanos.

Pētnieki saka, ka viņu izrāviens, par ko ziņots jaunākajā izdevumā ACS nano , varētu attiekties ne tikai uz aviāciju, bet arī uz ceļu bruģēšanu, būvniecību, elektroenerģijas pārvadi un praktiski visām citām nozarēm, kurās ķīmiskā un fizikālā ledus atkausēšana rada bažas. Mēs vēlamies, lai ledus neveidotos vispār, saka materiālu zinātniece un projekta vadītāja Džoanna Aizenberga.

Šis stāsts bija daļa no mūsu 2011. gada novembra numura

• Skatiet pārējo izdevuma daļu
• Abonēt

Kad topoša ledus lāse ietriecas parastajā virsmā, tā izplešas un satveras, kļūstot par pamatu vairāku pilienu agregācijai un galu galā par ledus loksni. Bet Aizenberga virsmas ir superhidrofobas, kas burtiski nozīmē ļoti baidīties no ūdens. Tajos ir mikronu izmēra ģeometriski raksti, tostarp stabi, ķieģeļi un citas konstrukcijas, kas liek pilieniem atlēkt, pirms tie var pieķerties. Galvenā iezīme ir tāda, ka mēs projektējam šīs konstrukcijas tā, lai tās būtu gandrīz bez berzes, skaidro Aizenbergs. Pilieni tiek efektīvi novirzīti, pirms var veidoties ledus.

Pārbaudēs Aizenberga un viņas kolēģi ir atklājuši, ka viņu materiāli iztur ledus uzkrāšanos, līdz temperatūra nokrītas līdz aptuveni -30°C. Tas ir daudz vēsāks nekā gandrīz jebkurā industriālā vidē, viņa atzīmē. Pat ļoti zemās temperatūrās, kad ledus atgrūdošā viela sāk sabojāt, viss nav zaudēts. Ledus, kas veidojas, ir vāja saķere, un tam ir nepieciešama neliela daļa — mazāk nekā 10 procenti — no parastā spēka, kas nepieciešams, lai to noņemtu no tradicionālajām virsmām. To ir ļoti viegli noņemt, jo tas saskaras ar virsmu tikai šo nanostrukturēto elementu galos, saka Aizenbergs. To var noņemt tikai ar gaisa plūsmu.

Nanostruktūras var iegravēt vai veidot metālā, gumijā vai citās vielās, piebilst Aizenbergs, kura vadītā grupa ir pieteikusi patentu šai metodei un plāno to komercializēt. Aizenberga saka, ka nav skaidrs, cik izmaksātu ledus izturības pievienošana noteiktai virsmai, taču viņa prognozē, ka tas būs pietiekami zems, lai neatturētu tās izmantošanu. Vēl jāpārbauda arī tas, vai nanostruktūru virsmas uzklāšanai būtu nepieciešama periodiska atsvaidzināšana. Viņas komanda veic pētījumus vēja tuneļos, lai noskaidrotu, cik izturīgi ir materiāli, analizējot to spēju izturēt lielus ātrumus un citus reālās pasaules spriedzes.

Lai gan lidmašīnas ir acīmredzams ledus bloķējošo materiālu galamērķis, Aizenbergs saka, ka vēl viens svarīgs pielietojums būtu būvniecībā. Ledus uzkrāšanās uz jumtiem var apdraudēt to strukturālo integritāti. Jumta virsmas, kas paraustīja plecus no ledus, varētu novērst katastrofālus sabrukumus.

Metjū Hermans, starptautiskās inženieru firmas Buro Happold būvfiziķis, saka, ka ledu atgrūdoša tehnoloģija būtu ļoti noderīga lielām ēkām. Daudzas vēsturiskas ēkas Ņujorkā, Bostonā un Čikāgā ir celtas, izmantojot dzegas, saka Hermanis. Tie ir skaisti, lai radītu ēnu un tekstūru, taču tie ļauj uzkrāties sniegam. Galu galā jūs saņemat pietiekami daudz ūdens un ledus, sēžot uz dzegas, lai tas varētu nokrist, un jums ir jāuzliek sastatnes vai nojume, lai aizsargātu zemāk esošos cilvēkus.

Hovards Stouns, Prinstonas universitātes mehāniskās un kosmosa inženierijas profesors, saka, ka Aizenberga brīnišķīgi radošais darbs piedāvā vairākas komerciālas iespējas. Viņš domāja, vai ledus izturīgu materiālu izmantošana nemainīs tādas virsmas kā plakana spārna aerodinamisko izturēšanos, taču Aizenberga un viņas kolēģi ir padziļināti apsvēruši šo jautājumu un saka, ka aerodinamika, visticamāk, netiks ietekmēta. Viņi plāno publicēt šos datus nākamajā dokumentā.

paslēpties