(PhysOrg.com) -- Gli ingegneri dell'Università di Harvard hanno progettato e dimostrato materiali nanostrutturati privi di ghiaccio che respingono letteralmente le gocce d'acqua prima ancora che abbiano la possibilità di congelarsi.

Il ritrovamento, segnalato online in ACS Nano il 9 novembre, potrebbe portare a un nuovo modo di mantenere le ali degli aeroplani, edifici, linee elettriche, e persino intere autostrade prive di ghiaccio durante il peggior clima invernale. Inoltre, integrare la tecnologia antighiaccio direttamente in un materiale è più efficiente e sostenibile rispetto alle soluzioni convenzionali come gli spray chimici, sale, e riscaldamento.

Un team guidato da Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson Professore di Scienza dei Materiali presso la Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e Core Member del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ad Harvard, focalizzato sulla prevenzione piuttosto che sulla lotta contro l'accumulo di ghiaccio.

"Volevamo adottare un approccio completamente diverso e progettare materiali che prevengano intrinsecamente la formazione di ghiaccio respingendo le gocce d'acqua, " dice Aizenberg. "Da studi passati, ci siamo anche resi conto che la formazione del ghiaccio non è un evento statico. L'approccio cruciale è stato quello di studiare l'intero processo dinamico di come le goccioline impattano e si congelano su una superficie super raffreddata".

Per l'ispirazione iniziale, i ricercatori si sono rivolti ad alcune soluzioni eleganti viste in natura. Per esempio, le zanzare possono appannarsi gli occhi, e gli strider acquatici possono mantenere le gambe asciutte grazie a una serie di minuscole setole che respingono le goccioline riducendo la superficie che ciascuna incontra.

"Il congelamento inizia con le goccioline che si scontrano con una superficie, " spiega Aizenberg. "Ma si sa molto poco di ciò che accade quando le goccioline colpiscono le superfici a basse temperature".

Per avere una comprensione dettagliata del processo, i ricercatori hanno guardato video ad alta velocità di goccioline super raffreddate che colpiscono superfici modellate su quelle trovate in natura. Hanno visto che quando una goccia fredda colpisce la superficie nanostrutturata, si diffonde prima, ma poi il processo funziona al contrario:la goccia si ritrae in una forma sferica e rimbalza sulla superficie prima di avere la possibilità di congelarsi.

Al contrario, su una superficie liscia senza le proprietà strutturate, una gocciolina rimane sparsa e alla fine si congela.

"Abbiamo fabbricato superfici con varie geometrie e dimensioni delle caratteristiche:setole, lame, e modelli interconnessi come nido d'ape e mattoni, per testare e comprendere i parametri critici per l'ottimizzazione, "dice Lidiya Mishchenko, uno studente laureato nel laboratorio di Aizenberg e primo autore dell'articolo.

L'uso di materiali così progettati con precisione ha permesso ai ricercatori di modellare il comportamento dinamico delle goccioline che impattano con un livello di dettaglio sorprendente, portandoli a creare un design migliore per i materiali anti-ghiaccio.

Un altro importante vantaggio di testare un'ampia varietà di strutture, Mishchenko aggiunge, è stato che ha permesso al team di ottimizzare la stabilità della pressione. Hanno scoperto che le strutture composte da modelli interconnessi erano ideali per strutture stabili, superfici idrorepellenti in grado di resistere a collisioni di goccioline ad alto impatto, come quelli incontrati sotto la pioggia battente o da aerei in volo.

I materiali nanostrutturati impediscono la formazione di ghiaccio anche fino a temperature da -25 a -30 gradi Celsius. Al di sotto di questo, grazie alla ridotta area di contatto che impedisce alle goccioline di bagnare completamente la superficie, l'eventuale ghiaccio che si forma non aderisce bene ed è molto più facile da rimuovere rispetto ai fogli ostinati che si possono formare su superfici piane.

"Vediamo questo approccio come un cambiamento radicale e tanto necessario nelle tecnologie anti-ghiaccio, " afferma Aizenberg. "Il concetto di superfici prive di attrito che deviano le goccioline d'acqua super raffreddate prima che possa verificarsi la nucleazione del ghiaccio è più di una semplice teoria o di un esperimento di prova di principio. Abbiamo iniziato a testare questa promettente tecnologia in contesti reali per fornire un quadro completo per l'ottimizzazione di queste robuste superfici prive di ghiaccio per un'ampia gamma di applicazioni, ciascuno dei quali può avere una serie specifica di requisiti di prestazione."

Rispetto ai tradizionali metodi di prevenzione o rimozione del ghiaccio come la salatura o il riscaldamento, l'approccio ai materiali nanostrutturati è efficiente, non tossico, e rispettoso dell'ambiente. Ulteriore, quando si usano sostanze chimiche per sbrinare un aereo, Per esempio, possono essere dilavati nell'ambiente e il loro smaltimento deve essere attentamente monitorato. Allo stesso modo, il sale sulle strade può portare a problemi di corrosione e di deflusso nelle fonti d'acqua locali.

I ricercatori prevedono che con la loro migliore comprensione del processo di formazione del ghiaccio, un nuovo tipo di rivestimento integrato direttamente in una varietà di materiali potrebbe essere presto sviluppato e commercializzato.