Scienziati e ingegneri hanno condotto una battaglia tranquilla ma determinata contro l'accumulo di ghiaccio sulle infrastrutture. Un sottile strato di ghiaccio sui pannelli solari può devastare la loro capacità di generare elettricità. Sottili strati di ghiaccio sulle pale delle turbine eoliche possono rallentarne l'efficienza.

E un sottile strato di ghiaccio su una linea di trasmissione elettrica può essere il primo passo verso un pericoloso accumulo di ghiaccio. Questo è esattamente quello che è successo in Quebec nel 1998, quando un accumulo di ghiaccio sulle linee di trasmissione e sulle torri ha schiacciato più di 150 torri, lasciando più di un milione di persone senza elettricità e causando danni per circa 5 miliardi di dollari di CDN.

Ora, un gruppo di ricerca presso l'Università norvegese di scienza e tecnologia (NTNU) segnala un nuovo approccio per prevenire l'accumulo di ghiaccio rompendolo. "Pensiamo di aver trovato un metodo molto interessante per ridurre l'adesione del ghiaccio che è unico, e una svolta nella comunità antighiaccio, "dice Zhiliang Zhang, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Strutturale dell'NTNU e capo del team del progetto di ricerca SLICE che ha scoperto la tecnica. Il loro approccio è stato appena pubblicato in Materia morbida , una pubblicazione della Royal Society of Chemistry.

Se hai mai preso un volo in inverno, hai quasi sicuramente sperimentato un approccio per evitare che il ghiaccio si attacchi alla superficie, che comporta la spruzzatura di liquido antighiaccio sulle ali di un aereo e su altre parti critiche dell'aereo. Lo spray rimuove fisicamente il ghiaccio accumulato, ma rende anche meno probabile che la superficie dell'aereo accumuli neve o ghiaccio (anche se solo per un breve periodo). Nella maggior parte delle applicazioni industriali, però, come su una piattaforma offshore o su una nave nell'Artico, o su turbine eoliche, spruzzare antigelo su una struttura non è un'opzione.

Scienziati e ingegneri hanno così creato sostanze chiamate superidrofobiche. Ciò significa che eccellono nel respingere l'acqua. Le sostanze superidrofobiche possono essere applicate alle superfici mediante spruzzatura o immersione. Spesso, sono fatti di sostanze chimiche fluorurate che non sono particolarmente rispettose dell'ambiente. E gli scienziati non sono completamente sicuri che una superficie superidrofoba possa rimanere priva di ghiaccio, almeno per lunghi periodi. Ciò ha motivato Zhang e i suoi colleghi dell'NTNU Nanomechanical Lab a provare un approccio completamente diverso.

"La nostra strategia è vivere con il ghiaccio, " Egli ha detto, lasciando che si formi, ma assicurandosi che gli strati di ghiaccio si stacchino dalla superficie e cadano. Nei loro sforzi per trovare modi per evitare che il ghiaccio si attacchi alle superfici, i ricercatori del ghiaccio hanno provato a manipolare le forze fisiche per generare crepe di interfaccia su nanoscala e microscala.

Molti ricercatori sul ghiaccio hanno provato a creare superfici scivolose che si affidano alla chimica superficiale per causare crepe indebolendo i legami atomici tra il ghiaccio e la superficie. Queste sostanze correlate alla chimica di superficie sono chiamate NACI, per iniziatori di nano-crack.

Alla microscala, i ricercatori sul ghiaccio hanno creato microprotuberanze nelle superfici che vogliono proteggere dal ghiaccio. Questi microbump sono chiamati iniziatori di micro-crack, o MICI, perché la loro rugosità favorisce microfratture al contatto tra la superficie e il ghiaccio, e limita la capacità del ghiaccio di aderire alla superficie trattata.

Nessuno di questi meccanismi è perfetto per evitare che il ghiaccio si attacchi alla superficie. Zhang e i suoi colleghi hanno testato una serie di rivestimenti commerciali e fatti in casa che si basano su NACI e MICI per ridurre la capacità del ghiaccio di aderire alla superficie. A poco a poco si sono resi conto che se aggiungevano un'altra struttura sotto la superficie, potrebbero formare grandi macrofessure all'interfaccia tra la superficie e il ghiaccio. Hanno chiamato questo meccanismo MACI, per iniziatore di macro-crack.

Man mano che le crepe si ingrandiscono, il ghiaccio ha meno probabilità di rimanere in superficie. In questo modo, MACI è la chiave per eliminare l'accumulo di ghiaccio sulle superfici, ha detto Zhang. Per testare la loro idea, Zhang e i suoi colleghi hanno creato strati sotto la superficie che avevano microfori o pilastri. Quindi hanno fatto un film sottile di una sostanza chiamata polidimetilsilossano, o PDMS, che copriva il buco, strati di sottostruttura irregolari.

Hanno testato più progetti delle loro strutture interne MACI. Hanno anche testato cosa accadrebbe se usassero più strati con fori interni. I ricercatori sono rimasti sorpresi nello scoprire che le superfici che avevano le sottostrutture MACI avevano punti di forza di adesione del ghiaccio che erano almeno il 50% più deboli delle superfici PDMS pure senza MACI. Una superficie con lo speciale design MACI ha dato ai ricercatori i risultati che speravano, con alcuni dei valori più bassi per l'adesione del ghiaccio, o viscosità, mai misurato.

"La forza di adesione del ghiaccio per le comuni superfici esterne in acciaio o alluminio è di circa 600-1000 kPa, " ha detto Zhang. "Introducendo il nuovo concetto MACI nel design della superficie, abbiamo raggiunto il valore di adesione del ghiaccio super basso di 5,7 kPa."

Zhang e i suoi colleghi hanno più lavoro da fare mentre sviluppano la loro idea, ma sono entusiasti di aver decifrato il codice per prevenire l'accumulo di ghiaccio pericoloso limitando gli effetti ambientali indesiderati. "Le tradizionali tecniche di sghiacciamento attivo... possono avere importanti effetti dannosi sulle strutture e sull'ambiente, "Ha detto Zhang. "Ma le superfici passive super-basse di adesione del ghiaccio evitano tutti questi effetti dannosi. Questo è molto interessante non solo per la comunità scientifica, e per applicazioni artiche, ma per i pannelli solari, per le linee di spedizione e trasmissione. Ci sono molte applicazioni legate alla vita di tutti i giorni."