La maggior parte delle tecniche per prevenire la formazione di brina e ghiaccio sulle superfici si basa molto sul riscaldamento o su sostanze chimiche liquide che devono essere riapplicate ripetutamente perché si lavano via facilmente. Anche i materiali antigelo avanzati hanno problemi di funzionamento in condizioni di elevata umidità e sottozero, quando il gelo e la formazione di ghiaccio vanno in overdrive.

Ora, ricercatori dell'Università dell'Illinois al Chicago College of Engineering descrivono per la prima volta diverse proprietà uniche di materiali noti come liquidi a commutazione di fase, o PSL, che promettono come materiali antigelo di nuova generazione. I PSL possono ritardare la formazione di ghiaccio e brina fino a 300 volte più a lungo dei rivestimenti all'avanguardia sviluppati nei laboratori. I loro risultati sono pubblicati sulla rivista Materiale avanzato .

"Il ghiaccio e il gelo rappresentano un pericolo per le persone e possono danneggiare le macchine e ridurre la funzionalità di alcune tecnologie, in particolare quelli relativi all'energia e ai trasporti, quindi siamo stati interessati a trovare possibili modi per superare i loro effetti dannosi, e i liquidi a commutazione di fase sono candidati molto promettenti, "ha detto Susan Anand, assistente professore di ingegneria meccanica e industriale e corrispondente autore dell'articolo.

I PSL sono un sottoinsieme di materiali a cambiamento di fase che hanno punti di fusione superiori al punto di congelamento dell'acqua, che è 0 gradi Celsius, il che significa che sarebbero solidi a un intervallo di temperature vicino a quello a cui l'acqua si congela. Esempi di tali materiali includono cicloesano, cicloottano, dimetilsolfossido, glicerolo, e altro ancora.

"A temperature sotto lo zero, tutti i PSL diventano solidi. Così, in un giorno d'inverno, potresti rivestire una superficie dove non vuoi glassare con un materiale PSL e rimarrebbe lì molto più a lungo della maggior parte dei liquidi antigelo, che richiedono frequenti riapplicazioni, " disse Rukmava Chatterjee, uno studente di dottorato presso l'UIC College of Engineering e il primo autore del documento.

Sebbene i ricercatori sappiano da molto tempo dei materiali a cambiamento di fase, le loro proprietà antigelo e antigelo uniche non sono state studiate prima, Ha spiegato Chatterjee. Decenni fa, Daniel Beysens, direttore di ricerca del laboratorio di fisica e meccanica dei media eterogenei presso l'Université de recherche Paris Sciences et Lettres e coautore del documento, aveva osservato che quando materiali come il cicloesano venivano raffreddati appena al di sotto dei loro punti di fusione, le gocce d'acqua che si condensano sulla superficie si muoverebbero in modo irregolare.

"Avevamo già esaminato questo movimento irregolare prima, e avevamo dimostrato che era originato dalla fusione del cicloesano indotta dal calore rilasciato in questi materiali durante la condensazione delle gocce d'acqua, " ha detto Anand.

Nella loro ricerca attuale, Anand e Chatterjee hanno raffreddato una gamma di PSL a -15 gradi Celsius, rendendoli tutti solidi. In condizioni di elevata umidità, hanno notato che i PSL solidificati si scioglievano direttamente al di sotto e nelle immediate vicinanze delle gocce d'acqua che si condensavano sui PSL.

"Ci aspettavamo che il movimento irregolare delle goccioline si fermasse dopo aver raffreddato la superficie a -15°C. Ma con nostra sorpresa, abbiamo scoperto che le goccioline continuavano a mostrare lo stesso movimento saltellante anche a temperature molto basse, " Anand ha detto. "Si scopre che i PSL sono estremamente abili nell'intrappolare questo calore rilasciato.

"Questa qualità, combinato con il fatto che le gocce d'acqua condensata diventano estremamente mobili su questi PSL raffreddati significa che la formazione di brina è notevolmente ritardata. Sì, ad un certo punto, il ghiaccio alla fine si forma e questo è inevitabile, ma alcuni dei PSL che abbiamo testato sono solubili in acqua, e questo contribuisce alle loro proprietà antigelo e può aiutare a ritardare la formazione di ghiaccio molto più a lungo anche dei rivestimenti antigelo avanzati".

Anand e Chatterjee hanno visto lo stesso effetto di ritardo del gelo con i PSL anche quando sono stati applicati come strati estremamente sottili agli oggetti.

"Nella nostra prima serie di esperimenti, il rivestimento PSL che abbiamo usato aveva uno spessore di circa 3 millimetri. Ma li abbiamo anche testati come rivestimenti molto sottili, come un film, e ho ancora visto lo stesso effetto di ritardo di congelamento, " Ha detto Anand. "Ciò significa che possiamo potenzialmente utilizzare i PSL per rivestire oggetti come i parabrezza delle auto o le pale delle turbine senza compromettere la funzionalità dell'oggetto".

In ulteriori esperimenti, i ricercatori hanno scoperto che i PSL hanno una vasta gamma di trasparenze ottiche, can self-repair after being scratched and can purge liquid-borne contaminants.

"The unique properties of PSLs, which we describe for the first time in this paper, make them excellent candidates for next-generation materials to prevent frost and ice development on surfaces, " Anand said.

Because PSLs are solids at low temperatures, he anticipates that they wouldn't need to be applied as often as liquid anti-icing agents because they would have better staying power.

"But, of course, we need to conduct additional experiments to determine their limits and figure out if there are ways we can further maximize their ice/frost-repelling abilities, " Egli ha detto.