Группа исследователей из Университета штата Аризона (ASU) разработала новый способ предотвращения образования льда на таких поверхностях, как крылья самолета, найдя вдохновение в необычном источнике: ядовитой лягушке-дротике.Они представят свои результаты на 67-м ежегодном собрании Отделения гидродинамики Американского физического общества (APS), которое состоится 23-25 ноября в Сан-Франциско.Поскольку лед на крыльях самолета может увеличить вес и уменьшить подъемную силу, делая взлет и посадку более опасными, в зимнюю погоду перед вылетом на самолет распыляется антифриз. Антифриз снижает температуру замерзания воды и, следовательно, уменьшает скопление льда во время полета.
Но антифриз может быть дорогим, особенно при использовании в больших количествах, а его местные запасы часто истощаются в периоды высокого спроса, такие как зимние штормы. Кроме того, чрезмерное использование антифриза может иметь негативные последствия для окружающей среды, вызывая коррозию материалов и попадание в системы водоснабжения.
Исследователи предложили альтернативы. Некоторые создали супергидрофобные покрытия, которые заставляют замерзшие капли дождя отскакивать от поверхностей вместо того, чтобы образовывать лед и прилипать. Другие разработали пропитанные смазкой текстурированные поверхности, покрытые тонкой масляной пленкой, которая отталкивает капли. Хотя эти поверхности хорошо работают во время ледяного дождя, они не эффективно останавливают обледенение, образовавшееся в результате тумана или мороза.
Исследователи ASU использовали гибридный подход. Во время поездки в Панаму ведущий исследователь Конрад Рыкачевский узнал, что ядовитые лягушки-дротики, которых он видел, использовали эффективный механизм самозащиты: когда их спровоцировали, они выделяли токсины через кожу, чтобы отпугнуть голодных хищников.«Это была именно та функциональность, которую мы хотели от антиобледенительных поверхностей: мы хотели выделять антифриз только в ответ на наличие льда на поверхности, независимо от формы — изморози, глазури или изморози», — сказал Рыкачевский.
Иней образуется, когда капли водяного пара оседают прямо на поверхности в виде льда.Он и его команда «имитировали двухслойную структуру кожи лягушки», сказал он, сочетая пористый верхний слой с нижним слоем, наполненным антифризом.
Верхний слой является супергидрофобным, что предотвращает образование льда на поверхности при ледяном дожде. Когда лед начинает образовываться другими способами — например, из-за изморози, вызванного накоплением конденсата, — начинает действовать нижний слой.
Антифриз под ним выщелачивается через пористую границу между двумя слоями, растапливая лед. «В большинстве случаев антифриз выделяется путем диффузии из-за контакта с жидкой водой», — сказал Рыкачевский, хотя он и его команда все еще определяют точный механизм.Группа проверила поверхность в различных условиях обледенения, от ледяного тумана до конденсационного обледенения.«Результаты были весьма впечатляющими, — сказал Рыкачевский. «Накопление льда на наших образцах задерживалось в десять раз дольше, чем на супергидрофобных поверхностях или поверхностях, пропитанных смазкой, во всех сценариях обледенения.
Кроме того, мы также наблюдали примерно десятикратную задержку накопления льда во время ледяного дождя по сравнению с поверхностями, залитыми антифризом. "Поверхность Рыкачевского использует антифриз более эффективно, выделяя вещество только тогда, когда начинает образовываться лед, вместо того, чтобы превентивно обливать им самолеты. Команда, в которую также входили аспиранты ASU Сяода Сунь, Вирадж Дамле и Шанлянцзи Лю, в настоящее время изучает основы механизмов выпуска антифриза, ищет способы оптимизировать систему и сделать ее практичной для крупномасштабного использования.