Het immer ijsvrije oppervlak is -heel toepasselijk- geïnspireerd door ‘schaatsenrijdertjes’. Je weet wel, die insecten die je ‘s zomers over het wateroppervlak heen en weer ziet schieten zonder dat ze in het water wegzinken. Hun pootjes zijn namelijk ’superhydrofoob’: dat wil zeggen zo waterafstotend dat watermoleculen er niet eens tegenaan willen liggen. Dat komt zowel door de waterafstotende moleculen op het oppervlak, als de structuur van de pootjes op nano-niveau. Hetzelfde principe geldt voor de nanostructuren die de lotusbloem gebruikt om altijd schoon te blijven en wordt dus ook wel het lotus-effect genoemd.
Als de waterdruppels zelfs te kort op een oppervlak blijven liggen om te kunnen bevriezen, dan moet dat oppervlak theoretisch ook haast wel ijsvrij blijven, dachten wetenschappers van de Harvard Universiteit in Amerika. Om dit te testen maakten ze verschillende nanostructuren op plaatjes aluminium en bedekten dit met superhydrofoob siliciumfluoride. Vervolgens druppelden ze water van 0 graden Celcius op de plaatjes die zelf een temperatuur hadden van -5 graden tot -30 graden onder nul. Natuurlijk deden ze hetzelfde met onbehandeld aluminium en ook een plaatje met een minder hydrofobe coating. Met een hogesnelheidscamera filmden ze het moment waarop de druppels het oppervlak raakten.
Impact van waterdruppels op bevroren plaatje aluminium. De eerste heeft geen coating, de tweede een hydrofobe en de derde een superhydrofobe coating
Je ziet dat de druppels op het onbehandelde oppervlak uitspreiden en dan vrijwel gelijk bevriezen, als een platte ‘pannenkoek’ van ijs. Bij het ‘gewone’ hydrofobe oppervlak (zonder nanostructuur) gebeurt dat al minder: de druppel trekt zich na spreiding weer terug (door de oppervlaktespanning), maar bevriest dan alsnog als bolletje.
Bij de superhydrofobe coating mét nanostructuur krijgen de watermoleculen echter helemaal geen vat op het oppervlak. Na de uitspreiding trekt de druppel zich niet alleen terug, maar stuitert zelfs weer helemaal van het oppervlak af en wordt er geen ijs gevormd.
De onderzoekers probeerden verschillende patronen in de nanostructuren uit, om te zien welke structuur de beste resultaten gaf. Vooralsnog bleek dat de honingraatstructuur. Dat komt waarschijnlijk omdat een vallende druppel elke zeshoek luchtdicht afsluit bij impact. De druk van de luchtmoleculen eronder helpt dan de druppel weer weg te duwen.
Het zal nog wel even duren voordat de coating op grote schaal kan worden geproduceerd, maar toepassingen zien de wetenschappers al wel. Bijvoorbeeld in de vliegtuigindustrie. Vliegtuigvleugels verzamelen vaak flink wat ijs tijdens hun vluchten in de koude dampkring. Als ze dan in een warme streek landen, merk je daar niet zoveel van; maar als de bestemming Canada of IJsland is, moet het ijs door verwarming of met chemicaliën van de vleugels worden verwijderd. Dat is een erg inefficiënt en tijdrovend proces. Met deze coating zou dit probleem nog steeds niet helemaal worden opgelost -bij temperaturen onder de -30 graden vormt er nog steeds ijs- maar, laten de wetenschappers weten, dat kun je het ijs er wel héél gemakkelijk weer vanaf vegen.
Bron:
- Design of ice-free nanostrutures surfaces based on repulsion of impacting water droplets lidiya Mischenko, Joanna Aizenberg, Nano letters