Il gelo si forma sulle regioni convesse delle foglie, ma non sulle vene concave. Credito:Stephan Herb
I ricercatori della Northwestern University hanno scoperto un nuovo modo per ridurre significativamente la formazione di brina su qualsiasi superficie. La scoperta potrebbe aiutare a ridurre la quantità di energia necessaria per lo sbrinamento e potrebbe potenzialmente comportare un minor numero di voli cancellati, che può essere messa a terra anche dal minimo strato di brina.
Modificando la trama della superficie di qualsiasi materiale, il team è stato in grado di ridurre sperimentalmente la formazione di brina fino al 60%. La struttura superficiale in scala millimetrica contiene una struttura ottimizzata, serie frastagliata di picchi e valli, che i ricercatori hanno osservato in natura. Con questa struttura, il team ha anche dimostrato teoricamente che la formazione di brina potrebbe essere ridotta fino all'80%.
"Questa idea è nata guardando le foglie, " ha detto Kyoo-Chul Park della Northwestern, che ha condotto lo studio. "C'è più formazione di brina sulle regioni convesse di una foglia. Nelle regioni concave (le nervature), vediamo molto meno gelo. Abbiamo scoperto che è la geometria, non il materiale, a controllarlo".
Lo studio sarà pubblicato oggi (10 marzo) nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Park è un assistente professore di ingegneria meccanica presso la McCormick School of Engineering della Northwestern.
Le persone che vivono in climi freddi hanno fin troppo familiarità con il gelo. Si forma quando il vapore dell'aria umida o la condensa entrano in contatto con una superficie a temperatura inferiore allo zero.
Ogni inverno, le persone lo raschiano dalle loro auto o si preoccupano che uccida le loro piante. Ma il gelo è più di un fastidio. Il gelo sulle ali degli aeroplani può creare resistenza, rendendo il volo pericoloso o addirittura impossibile. E, quando si accumula all'interno di congelatori e frigoriferi, il gelo riduce notevolmente l'efficienza energetica degli elettrodomestici.
Ken Park e il suo team hanno stampato in 3D una foglia d'acero e l'hanno riempita di refrigerante per osservare come il gelo ha evitato la formazione nelle regioni concave. Credito:Northwestern University
Ma il gelo non si forma su tutto. Per gli oggetti, come foglie, che hanno una geometria increspata, la brina si forma sulle cime ma raramente nelle valli.
"La gente ha notato questo per diverse migliaia di anni, " ha detto Park. " Sorprendentemente, non c'era alcuna spiegazione su come si formano questi modelli."
Attraverso lavori sperimentali e simulazioni computazionali, Park e i suoi collaboratori hanno scoperto che la condensa è migliorata sui picchi e soppressa nelle valli delle superfici ondulate. La piccola quantità di acqua condensata nelle valli poi evapora, risultando in una zona al riparo dal gelo. Anche quando Park ha utilizzato un materiale di superficie che attira l'acqua, l'acqua ancora evaporava dalle valli quando era al di sotto del punto di congelamento.
Park ha utilizzato queste nuove informazioni per trovare la struttura della superficie ottimale per prevenire la formazione di brina. La superficie vincente contiene picchi e valli alti millimetri con piccoli angoli (40-60 gradi) nel mezzo.
Sebbene si formi ancora una sottile linea di brina sui picchi della topografia superficiale, può essere scongelato con molta meno energia. Inoltre, evita la necessità di utilizzare liquidi con punti di congelamento inferiori o rivestimenti superficiali, che può essere facilmente graffiato.
"La regione no-frosting avvia il processo di scongelamento, " Park ha detto. "Così ridurrebbe i materiali e l'energia utilizzati per risolvere i problemi di congelamento. Tutto ciò che dobbiamo fare è fornire ad altri le linee guida per progettare queste superfici dentellate".
