Liść lotosu i dzbanecznik przeciw oblodzeniu. Nowa powłoka bez grama PFAS
W inżynierii materiałowej od lat funkcjonuje zjawisko, które komplikuje życie konstruktorom: struktury najlepiej odpychające ciekłą wodę w ujemnych temperaturach stają się sprzymierzeńcem lodu.
Zespół chemików z kanadyjskiego Simon Fraser University rozwiązał ten problem, łącząc w jednym materiale właściwości liścia lotosu oraz mięsożernego dzbanecznika. Efektem jest wolna od związków fluorowanych powłoka, która może ograniczyć zużycie energii w lotnictwie i energetyce wiatrowej.
Dlaczego efekt lotosu zawodzi na mrozie?
Znany z przyrody efekt lotosu opiera się na mikroskopijnej chropowatości. Pomiędzy drobnymi wypustkami na powierzchni liścia zamykają się pęcherzyki powietrza, dzięki czemu kropla wody nie rozpływa się, lecz zachowuje kulisty kształt i swobodnie spływa.
W warunkach marznącego deszczu lub gęstej mgły ten sam mechanizm staje się pułapką:
- Woda pod ciśnieniem wnika w mikroskopijne szczeliny struktury.
- W momencie zamarzania lód kotwiczy się w zagłębieniach materiału.
- Powstała warstwa lodu uzyskuje wielokrotnie większą powierzchnię styku i przylega znacznie mocniej niż do gładkiego podłoża.
Aby wyeliminować to zjawisko, badacze sięgnęli po mechanizm stosowany przez dzbaneczniki. Rośliny te wykorzystują porowatą strukturę nasączoną cienką warstwą cieczy (SLIPS – Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces), po której owady i krople ześlizgują się bez punktu zaczepienia.
30 procent oleju: precyzyjny punkt równowagi
Dotychczasowe próby łączenia obu mechanizmów kończyły się niepowodzeniem, ponieważ ciecz smarująca szybko wymywała się z porów lub zalewała mikroskopijne wypustki odpowiedzialne za hydrofobowość.
Kanadyjscy naukowcy zastosowali jako bazę elastyczny silikon PDMS (polidimetylosiloksan). Wytrawione acetonem płyty poliwęglanowe posłużyły jako matryca do nadania silikonowi odpowiedniej mikro- i nanostruktury, a sam polimer nasycono olejem silikonowym.
O sukcesie zadecydowały dokładne proporcje:
- Poniżej 30% zawartości oleju: powierzchnia nie zyskiwała wystarczającej śliskości, by ograniczyć adhezję lodu.
- Powyżej 30% zawartości oleju: nadmiar cieczy tworzył mikrokałuże, zalewając strukturę uwięzionego powietrza i niszcząc właściwości hydrofobowe.
Dokładnie 30% zawartości oleju: uzyskano kąt zwilżania przekraczający 171 stopni (krople wody tworzą niemal idealne kule), zachowując jednocześnie minimalną przyczepność lodu oraz zdolność do samooczyszczania z drobin pyłu i piasku.
Ochrona bez grzałek i bez „wiecznej chemii”
Opracowany materiał odpowiada na dwa istotne wyzwania przemysłowe. Większość komercyjnych powłok hydrofobowych i antyadhezyjnych bazuje na fluoropolimerach (w tym PTFE). Ze względu na ich trwałość środowiskową i toksyczność, Unia Europejska oraz amerykańska agencja EPA wprowadzają coraz surowsze restrykcje dotyczące ich stosowania. Nowa powłoka wykorzystuje wyłącznie powszechny, bezpieczny silikon.
Tradycyjne systemy odladzania skrzydeł samolotów wymagają poboru gorącego powietrza ze sprężarek silników lub zasilania mat grzewczych, co bezpośrednio podnosi zużycie paliwa. Z kolei na morskich farmach wiatrowych oblodzenie łopat zmusza operatorów do zatrzymywania turbin. Pasywna powłoka sprawia, że lód odpada samoczynnie pod wpływem pędu powietrza lub grawitacji.
Wyzwanie wdrożeniowe: siły ścinające i skala
Mimo obiecujących wyników laboratoryjnych opublikowanych w czasopiśmie „Advanced Science”, wdrożenie technologii do masowej produkcji wymaga rozwiązania kwestii trwałości mechanicznej.
Końcówki łopat turbin wiatrowych poruszają się z prędkościami przekraczającymi 250 km/h, a poszycie samolotów pasażerskich musi wytrzymać erozję wywoływaną przez krople deszczu i kryształki lodu przy ok. 800 km/h. W takich warunkach ciecz smarująca może być stopniowo usuwana z powierzchni. Kolejnym krokiem zespołu będzie sprawdzenie odporności materiału na długotrwałe oddziaływanie czynników atmosferycznych oraz opracowanie metody równomiernego nakładania struktury na wielometrowe elementy kompozytowe.
„Żywy plastik” z Chin. Czy butelki naprawdę znikną same? Sprawdzamy fakty
