Во время Великой ледяной бури 1998 года скопление льда на линиях электропередач и опорах остановило северную часть Соединенных Штатов и южную Канаду, оставив многих людей в холоде и темноте на несколько дней или даже недель.Будь то ветряные турбины, электрические башни, дроны или крылья самолетов, борьба с обледенением часто зависит от методов, которые отнимают много времени, являются дорогостоящими и/или используют много энергии и различных химикатов.Но, глядя на природу, исследователи Макгилла полагают, что нашли новый многообещающий способ решения проблемы.Их вдохновили крылья папуасских пингвинов, плавающих в ледяных водах Антарктиды, а их мех не замерзает, даже когда температура внешней поверхности значительно ниже нуля.
Сначала мы исследовали свойства листьев лотоса, которые очень хорошо удаляют воду, но оказалось, что они менее эффективны при удалении льда», — сказала Энн Китциг, которая ищет решения уже почти десять лет и является доцентом. .Доктор химических наук Университета Макгилла, директор лаборатории биомиметической инженерии поверхности: «Только когда мы начали исследовать свойства перьев пингвинов, мы обнаружили природный материал, который одновременно выделяет воду и лед.»
изображениеслева показана микроструктура пера пингвина (крупный план вставки толщиной 10 микрон соответствует 1/10 ширины человеческого волоса, чтобы дать ощущение масштаба).Эти зазубрины и веточки представляют собой центральные стебли ветвящихся перьев..«Крючки» используются для соединения отдельных волосков перьев вместе, образуя подушку.Справа — проволочная ткань из нержавеющей стали, которую исследователи украсили нанобороздками, воспроизводя иерархию структур перьев пингвина (проволока с нанобороздками сверху).
«Мы обнаружили, что иерархическое расположение самих перьев обеспечивает водоотводящие свойства, а их зубчатая поверхность уменьшает прилипание льда», — объясняет Майкл Вуд, недавний аспирант, работающий с Китцигом и один из соавторов исследования.Новая статья в журнале ACS Applied Material Interfaces.«Мы смогли воспроизвести эти комбинированные эффекты с помощью тканой проволочной сетки, вырезанной лазером».
Китциг добавил: «Это может показаться нелогичным, но ключом к отделению льда являются все поры в сетке, которые впитывают воду в условиях замерзания.Вода в этих порах со временем замерзает и, расширяясь, образует трещины, как если бы вы были в холодильнике.Это то же самое, что и в лотке для кубиков льда.Нам нужно очень мало усилий, чтобы удалить лед из нашей сетки, потому что трещины в каждом из этих отверстий имеют тенденцию извиваться вдоль поверхности этих плетеных проволок».
Исследователи протестировали трафаретную поверхность в аэродинамической трубе и обнаружили, что такая обработка на 95% лучше противостоит обледенению, чем развернутые полированные листы нержавеющей стали.Поскольку химическая обработка не требуется, новый метод предлагает потенциально не требующее технического обслуживания решение проблемы образования льда на ветряных турбинах, башнях, линиях электропередачи и дронах.
«Учитывая количество правил пассажирской авиации и связанные с этим риски, маловероятно, что крылья самолета будут просто обернуты металлической сеткой», — добавил Китциг.«Однако возможно, что однажды поверхность крыла самолета может иметь текстуру, которую мы изучаем, и, поскольку традиционные методы борьбы с обледенением работают вместе на поверхности крыла, удаление льда будет происходить путем сплавления крыльев пингвина.вдохновлен текстурой поверхности».
«Надежные противообледенительные поверхности, основанные на двойной функциональности: отслаивание льда, вызванное микроструктурой, с водоотталкивающим слоем, усиленным наноструктурой», Майкл Дж. Вуд, Грегори Брок, Жюльет Дебре, Филипп Сервио и Анн-Мари Китциг в ACS Appl.альма-матер.интерфейс
Университет Макгилла, основанный в 1821 году в Монреале, Квебек, является университетом номер один в Канаде.Университет Макгилла неизменно входит в число лучших университетов как на национальном, так и на международном уровне.Это всемирно известное высшее учебное заведение, исследовательская деятельность которого охватывает три кампуса, 11колледжи, 13 профессиональных колледжей, 300 учебных программ и более 40 000 студентов, в том числе более 10 200 аспирантов.McGill привлекает студентов из более чем 150 стран, а 12 800 иностранных студентов составляют 31% от общего числа студентов.Более половины студентов Макгилла говорят, что их родной язык не английский, и около 19% из них говорят на французском как на родном языке.