Исследователи обнаружили, что лед по-разному растет на впитывающих и водоотталкивающих поверхностях, демонстрируя, что порыв воздуха может сдувать лед, образующийся на последних. Их результаты показывают, что нанесение водоотталкивающих покрытий на ветровые стекла перед зимними штормами или инженерные поверхности, которые по своей природе отталкивают воду, может позволить сильному ветру справиться с бременем удаления льда.Эксперименты и моделирование показали, что капля воды на репеллентной поверхности замерзнет вверх, образуя микроскопическое шестилучевое образование, напоминающее идеализированную снежинку, при этом лишь небольшая часть ее основания прилипает к поверхности.
Это имеет смысл, учитывая, что капли воды, а не растекаются по отталкивающим поверхностям, сказал соавтор из Небраски Сяо Ченг Цзэн.Напротив, капли на впитывающей поверхности кристаллизовались в лед, который рос вдоль этой поверхности, что затрудняло удаление. Моделирование на молекулярном уровне показало, что эти капли почти сразу же начали формировать два уложенных друг на друга слоя гексагонального двумерного льда, форму, которую Цзэн ранее обнаружил и назвал льдом Небраски.
По словам Цзэна, этот ультратонкий лед побуждает молекулы воды скользить по нему и колонизировать другие участки поверхности.«Если вода и поверхность вначале не имеют особого химического состава — они не любят друг друга — это похоже на развод или разлуку», — сказал Цзэн, профессор химии Канцлерского университета. «Но если они нравятся друг другу, они женятся и остаются вместе надолго.
«Вот когда лед растет по поверхности. Зимой, если у вас есть такой лед на лобовом стекле, вам придется использовать скребок, чтобы его удалить».Вперед или вверх
По словам Цзэна, температура и давление в основном определяют, как капли воды кристаллизуются на открытом воздухе, и эти переменные влияют на образование льда на твердых поверхностях. Но исследование команды предполагает, что контактный угол поверхности — угол, образованный в месте встречи капли воды с твердой поверхностью, — определяет, будет ли лед расти вдоль поверхности или за ее пределами.
В то время как гидрофильная поверхность позволяет каплям распространяться по ней под малым углом смачивания, водоотталкивающая гидрофобная поверхность заставляет капли скатываться вверх и образовывать больший угол.«Замерзнет ли вода тем или иным образом — это зависит от поверхности, а не от температуры», — сказал Цзэн. «Это почти полностью зависит от угла контакта».
Команда обнаружила, что на бездефектной поверхности, изготовленной в лаборатории или смоделированной с помощью компьютерного моделирования, лед переходит от поверхностного роста к поверхностному при угле смачивания где-то между 30 и 40 градусами. Исследователи также обнаружили, что увеличение шероховатости поверхности за счет увеличения ее наноскопических пор фактически уменьшило этот угловой порог, а это означает, что более грубые поверхности не должны быть такими водоотталкивающими, чтобы способствовать росту льда, который легче удаляется.
Ломая ледЧтобы сравнить две формы роста льда, исследователи разработали прозрачную поверхность, разделенную на две части: гидрофильную и гидрофобную.
Затем они подключили высокоскоростную камеру к микроскопу, снимая видео соответствующих процессов как снизу, так и с бокового профиля.Когда исследователи подвергли обе половинки потокам воздуха, они обнаружили, что лед покинул гидрофобную половину, но устойчиво удерживался на гидрофильной стороне.
И лед, который продвигался через гидрофильную половину, внезапно останавливался, когда приближался к гидрофобной территории.«Люди давно изучали, как вода взаимодействует с поверхностями», — сказал Цзэн. «Но это явление до сих пор было вне поля зрения».Цзэн был автором исследования вместе с Чунцинь Чжу из Небраски, научным сотрудником по химии; Джозеф Франциско, декан Колледжа искусств и наук; вместе с коллегами из Китайской академии наук, Пекинского химико-технологического университета и Пекинского университета.
Команда сообщила о своих выводах в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.Исследователи получили поддержку Национального научного фонда США, Национального научного фонда Китая и Китайской академии наук.
Цзэн и его коллеги проводили моделирование в вычислительном центре Голландии при Университете Небраски.