Springende ijskristallen: Lab werkt aan elektrostatische ontdooiing

Frost breekt af en “springt” omhoog als gevolg van een elektrostatische lading. Krediet: Virginia Tech

Als je ooit op een winterochtend bent opgestaan ​​en jezelf hebt geworpen op de zware taak om ijs van een voorruit te schrapen, dan is een Virginia Tech-laboratorium boeiende wetenschap [IS1] dat zou uw leven veel gemakkelijker kunnen maken. In door de National Science Foundation gefinancierd onderzoek heeft universitair hoofddocent Jonathan Borekyo een team geleid bij het ontwikkelen van een mogelijke oplossing voor het verwijderen van vorst door middel van elektrostatica.

Als water bevriest, worden positief geladen protonen en negatief geladen elektronen gescheiden. Bevroren ijskristallen worden geëlektrificeerd als de bovenkant van de vorst warmer wordt dan de onderkant van de vorst. Hierdoor bewegen geladen ionen van boven naar beneden (warm naar koud), maar het blijkt dat de positieve ionen sneller kunnen migreren. De bovenkant van de vorst wordt negatief geladen terwijl de onderkant positiever wordt geladen, een concept dat bekend staat als ladingsscheiding.

Ladingsscheiding bij vorst is in het verleden bestudeerd, maar het effect is nooit benut om de rijp van het oppervlak te verwijderen. Boreyko’s Nature-Inspired Fluids and Interfaces Lab wilde die leemte opvullen. Het team begon met het kunstmatig maken van ijs op een oppervlak. Vervolgens hingen ze met filtreerpapier een waterfilm boven de rijp. Tegenpolen trekken elkaar aan, dus de negatief geladen bovenkant van de ijslaag trok de positieve ionen in het water aan. Dit genereerde een elektrisch veld dat een aantrekkingskracht uitoefende op de ijslaag.

Met behulp van een hogesnelheidscamera zag het team ijsdeeltjes afbreken van hun substraat en naar de tegenoverliggende waterfilm springen. Er werd ijs gekweekt op zowel metalen als glazen oppervlakken, wat aangeeft dat het springende frost-effect mogelijk is ongeacht de thermische en elektrische eigenschappen van het object dat het water vasthoudt.

Met deze gegevens in de hand gaat het team tijdens het testen naar grotere schaal. De ijsdeeltjes in dit experiment waren erg klein, elk slechts enkele millimeters of minder. Het team van Boreyko werkt eraan om grote ijsplaten te verwijderen door de hoeveelheid lading die in de buurt van de vorst komt te vergroten. Door warm water te vervangen door actief geladen elektroden, konden de kleine vorstsprongen grootschalige ijsevacuaties worden.

“Als we dit elektrostatische de-icing-effect kunnen versterken, zodat hele vellen ijs of rijp onmiddellijk van hun oppervlak worden gescheurd, zou dit een game-changer kunnen zijn voor de vliegtuig- en HVAC-industrie,” zei Borekyo.

Deze bevindingen zijn gepubliceerd in ACS Nano​ De hoofdauteur van het artikel was Ranit Mukherjee, een afgestudeerde student in het laboratorium van Boreyko.