Superfici e rivestimenti idrorepellenti potrebbero rendere la rimozione del ghiaccio una vera e propria brezza costringendo il ghiaccio a crescere piuttosto che limitarsi a pattinare, afferma un nuovo studio dell'Università del Nebraska-Lincoln e di diverse istituzioni cinesi.

I ricercatori hanno scoperto che il ghiaccio cresce in modo diverso su superfici assorbenti rispetto a quelle idrorepellenti, dimostrando che una folata d'aria può spazzare via il ghiaccio che si forma su quest'ultimo. I loro risultati suggeriscono che l'applicazione di rivestimenti idrorepellenti ai parabrezza prima delle tempeste invernali - o superfici ingegneristiche che intrinsecamente respingono l'acqua - potrebbe consentire a una forte brezza di gestire il peso della rimozione del ghiaccio.

Esperimenti e simulazioni hanno mostrato che una goccia d'acqua su una superficie repellente si congelerà verso l'alto in una microscopica formazione a sei braccia che assomiglia a un fiocco di neve idealizzato, con solo una piccola parte della sua base aderente alla superficie. Questo ha senso dato che le gocce d'acqua si accumulano piuttosto che spargersi su superfici repellenti, ha detto il co-autore del Nebraska Xiao Cheng Zeng.

In contrasto, goccioline su una superficie assorbente cristallizzate in ghiaccio che cresceva lungo quella superficie, rendendo più difficile la rimozione. Le simulazioni a livello molecolare hanno suggerito che queste goccioline hanno iniziato quasi immediatamente a formare due strati sovrapposti di ghiaccio esagonale 2-D, una forma che Zeng aveva precedentemente scoperto e soprannominato Nebraska Ice. Questo ghiaccio ultrasottile incoraggia le molecole d'acqua a pattinare essenzialmente su di esso e colonizzare altre aree della superficie, ha detto Zeng.

"Se l'acqua e la superficie non hanno molta chimica all'inizio - non si piacciono - è un po' come un divorzio o una separazione, " disse Zeng, Rettore universitario Professore di chimica. "Ma se si piacciono, si sposano e stanno insieme a lungo.

"Ecco quando il ghiaccio cresce lungo la superficie. In inverno, se hai quel tipo di ghiaccio sul parabrezza, devi usare un raschietto per toglierlo."

Avanti o verso l'alto

La temperatura e la pressione determinano principalmente il modo in cui le gocce d'acqua si cristallizzano all'aria aperta, e quelle variabili influiscono sulla formazione di ghiaccio su superfici solide, ha detto Zeng. Ma lo studio del team suggerisce che l'angolo di contatto di una superficie - l'angolo formato dove una goccia d'acqua incontra una superficie solida - determina se il ghiaccio crescerà lungo o al di fuori della superficie. Considerando che una superficie idrofila consente alle goccioline di diffondersi su di essa con un piccolo angolo di contatto, una superficie idrofoba idrorepellente costringerà le goccioline a formare un angolo più ampio.

"Se l'acqua gela in un modo o nell'altro è fino alla superficie, non la temperatura, " ha detto Zeng. "Dipende quasi interamente dall'angolo di contatto".

Su una superficie priva di difetti fabbricata in laboratorio o modellata in una simulazione al computer, le transizioni del ghiaccio dalla crescita lungo la superficie a quella fuori superficie con un angolo di contatto compreso tra 30 e 40 gradi, la squadra ha trovato. I ricercatori hanno anche scoperto che aumentando la rugosità di una superficie allargando i suoi pori nanoscopici in realtà diminuiva questa soglia angolare, il che significa che le superfici più ruvide non devono essere idrorepellenti per favorire la crescita del ghiaccio più facilmente rimosso.

Rompere il ghiaccio

Per confrontare le due forme di crescita del ghiaccio, i ricercatori hanno progettato una superficie trasparente divisa in due metà:una idrofila, uno idrofobo. Hanno poi attaccato una telecamera ad alta velocità a un microscopio, catturare video dei rispettivi processi sia dal basso che da un profilo laterale.

Quando i ricercatori hanno sottoposto entrambe le metà a soffi d'aria, hanno scoperto che il ghiaccio ha abbandonato la metà idrofoba ma ha tenuto saldamente il lato idrofilo. E il ghiaccio che avanzava attraverso la metà idrofila si fermò bruscamente quando si avvicinò al territorio idrofobo.

"Le persone hanno studiato a lungo come l'acqua interagisce con le superfici, a lungo, " Zeng ha detto. "Ma questo fenomeno era fuori dai radar fino ad ora."

Zeng ha scritto lo studio con Chongqin Zhu del Nebraska, ricercatore post-dottorato in chimica; Giuseppe Francesco, preside del Collegio delle Arti e delle Scienze; insieme ai colleghi dell'Accademia cinese delle scienze, Università di tecnologia chimica di Pechino, e Università di Pechino. Il team ha riportato i suoi risultati sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .