Mentre gli americani si preparano per l’inverno, molti dovranno affrontare uno dei loro nemici più difficili:il ghiaccio. Dal ritardo dei voli al rendere le strade scivolose, l'accumulo di ghiaccio sulle superfici provoca caos in molti modi.
Ma non tutto il ghiaccio è uguale. In una nuova ricerca dell’Università dell’Illinois a Chicago, gli scienziati hanno studiato la viscosità del ghiaccio contenente contaminanti quotidiani come sale, sapone e alcol. La maggior parte degli studi di laboratorio testa in genere il ghiaccio prodotto con acqua pura, ma in natura il ghiaccio raramente è puro.
"Che si tratti di marciapiedi sporchi o dello scafo delle navi marittime che navigano nell'Artico, ci sono sempre delle impurità lì", ha detto l'autore senior Sushant Anand, professore associato di ingegneria meccanica e industriale all'UIC. "Quindi, la domanda naturale che mi viene in mente è:qual è l'influenza di questi composti sulla forza con cui il ghiaccio aderisce alle superfici?"
Il laboratorio di Anand ha preparato ghiaccio con diverse concentrazioni di contaminanti e ha testato la forza con cui questi aderivano a diversi materiali industriali. Sorprendentemente, hanno scoperto che, in determinate condizioni, il ghiaccio impuro era molto meno appiccicoso del ghiaccio prodotto con acqua pura.
La causa di questa scivolosità è stata fatta risalire al modo in cui l'acqua congela quando contiene impurità e alla struttura unica in cui il ghiaccio tocca un materiale solido, chiamata strato quasi liquido.
"La regione del ghiaccio vicino a un solido ha proprietà simili a quelle liquide, e il suo spessore potrebbe contribuire a quanto il ghiaccio aderisce saldamente", ha detto Anand. "Ma questa regione è davvero difficile da analizzare attraverso esperimenti."
Quindi, ha collaborato con il collega dell’UIC Subramanian Sankaranarayanan e il suo gruppo presso l’UIC/Argonne National Laboratory per studiare questo strato e come cambia con diversi livelli di impurità, utilizzando simulazioni di dinamica molecolare. Hanno scoperto che quando l'acqua impura congela, espelle i contaminanti che drenano lungo i canali e i confini dei granelli di ghiaccio verso la base del ghiaccio, dove forma uno strato liquido che conferisce al ghiaccio una maggiore scivolosità.
"Queste intuizioni potrebbero portare alla progettazione di tecniche di preparazione all'inverno di prossima generazione che rilasciano lentamente contaminanti per promuovere una facile perdita di ghiaccio", ha affermato il dottorando laureato. lo studente Rukmava Chatterjee, primo autore dell'articolo.
I sorprendenti risultati dei test hanno sollevato un'altra domanda:se piccole concentrazioni di sale rendono meno probabile che il ghiaccio si attacchi alle superfici, perché le navi nei climi artici che navigano in acqua salata lottano ancora con la formazione di ghiaccio?
Gli esperimenti hanno rivelato che la velocità di congelamento dell’acqua può influenzare il modo in cui le impurità migrano verso le regioni in cui il ghiaccio tocca un solido. Un processo di congelamento lento provoca l'isolamento dei contaminanti in sacche concentrate o addirittura la completa espulsione, producendo ghiaccio più puro e più forte. Un congelamento più rapido preserva i contaminanti all'interno del ghiaccio e il loro accumulo nell'interfaccia ghiaccio-solido, portando a un'adesione più debole.
"Il nostro studio rappresenta solo la punta dell'iceberg, aprendo nuove linee di indagine su come il ghiaccio impuro aderisce con implicazioni diffuse in molteplici discipline", ha affermato Anand.
I risultati sono pubblicati sulla rivista Materials Horizons .
Ulteriori informazioni: Rukmava Chatterjee et al, Adesione del ghiaccio impuro sulle superfici, Orizzonti dei materiali (2023). DOI:10.1039/D3MH01440A
Informazioni sul giornale: Orizzonti dei materiali
Fornito dall'Università dell'Illinois a Chicago
