Progettazione superficiale di gruppi di nanofili di rame per un'elevata efficienza di sbrinamento

Gli scienziati dell'Università di Tecnologia di Dalian propongono un progetto di assemblaggi di nanofili di rame in grado di migliorare sufficientemente l'efficienza di sbrinamento e sbrinamento senza l'apporto di energia convenzionale. Nello specifico, l'efficacia dello sbrinamento si avvicina al 100%, un valore record rispetto agli studi riportati.

La ricerca, pubblicata nell'International Journal of Extreme Manufacturing, mostra un semplice metodo elettrochimico per fabbricare assemblaggi di nanofili con modello, gerarchia e dimensioni controllate. Ciò consente la presentazione simultanea di proprietà fototermiche, termoconduttive e superidrofobiche, altrimenti impossibili per le superfici convenzionali. La proprietà fototermica garantisce un efficiente assorbimento della luce solare, la proprietà termoconduttiva fornisce la rapida conduzione laterale del calore dopo l'assorbimento della luce solare, mentre la proprietà superidrofobica spinge lo scivolamento o il rotolamento via del ghiaccio/gelo dopo lo scioglimento dalla superficie, con uno sbrinamento superiore a quanto riportato in precedenza.

L’accumulo di ghiaccio e brina pone continuamente sfide significative in vari campi, che vanno dal congelamento criogenico di cellule su scala nanometrica al volo di aerei su scala macro. “Le tradizionali soluzioni di sghiacciamento/sbrinamento si basano principalmente su approcci meccanici, termici e chimici, che tuttavia sono tutti ad alta intensità energetica, ad alta intensità di manodopera o dannosi per l’ambiente. Inoltre, alcuni di questi approcci attivi richiedevano il contatto diretto con la superficie del materiale, comportando rischi per i rivestimenti delicati. Per ottenere uno sbrinamento/sbrinamento a risparmio energetico ed ecocompatibile senza compromettere la funzionalità della superficie, la maggior parte degli sforzi si sono spostati verso approcci passivi attraverso modifiche della superficie”, ha affermato Siyan Yang, il primo autore dell’articolo, che ora è postdoc presso l’Hong Kong Università Politecnica.

L’interesse recente si è concentrato sulle superfici fototermiche con superidrofobicità in grado di essere riscaldate dalla luce solare, una fonte di energia verde abbondante sulla terra. Tuttavia, la maggior parte delle superfici soffre di un riscaldamento localizzato e irregolare a causa della minore conduttività termica. Pertanto, l’ulteriore assemblaggio di queste proprietà superficiali con materiali termicamente conduttivi, in particolare i metalli, presenta un grande potenziale per lo sbrinamento e lo scongelamento, che, tuttavia, rimane in gran parte inesplorato.

“Per affrontare i problemi di cui sopra, sviluppiamo un approccio di fabbricazione semplice per produrre assemblaggi di nanofili di rame controllabili. Abbiamo scoperto che la morfologia, l'altezza e la scala degli assemblaggi possono essere ben messe a punto regolando i parametri elettrochimici. Attraverso test di bagnabilità e fototermici, abbiamo scoperto che la maggior parte dei gruppi di nanofili possono essere trattati come superidrofobici, con un tasso di assorbimento della luce solare superiore al 95%. A causa dell’elevata conduttività dei materiali di rame, gli assemblaggi di nanofili, in particolare il design con nanofili verticali e una larghezza media di microscanalatura di 2-3 μm, consentono prestazioni di sbrinamento e scongelamento superiori”, ha affermato Qixun Li (studente di dottorato, ora presso l’Università di Dalian of Technology), il primo coautore dell'articolo.

Questo design innovativo può portare a durate di sbrinamento complessive due o tre volte più brevi rispetto ad altre tre superfici nanostrutturate semplicemente con superidrofobicità, effetto fototermico o una combinazione di questi. Sorprendentemente, questo progetto raggiunge la massima efficienza di sbrinamento (~100%) rispetto ai lavori precedenti.

"In linea di principio, combinando facilità di fabbricazione, elevata controllabilità e diversità nella morfologia, la progettazione di assemblaggi di nanofili è promettente in ampie applicazioni di sghiacciamento e scongelamento che eliminano la necessità del tradizionale apporto di energia. Tuttavia, la durabilità, la scalabilità e le sostanze chimiche La stabilità degli assemblaggi di nanofili è limitata nelle applicazioni pratiche che comportano condizioni di lavoro complesse. È necessario sviluppare metodi più generali di lavorazione dei materiali micro/nano per migliorare l'efficienza produttiva, la scala dei materiali e la durabilità della superficie. Nonostante ciò, il concetto di progettazione di questo lavoro serve come bussola per le future attività di ricerca, soprattutto nelle aree fredde che soffrono di carenza di energia", ha osservato Xuehu Ma, professore di ingegneria chimica presso l'Università di Tecnologia di Dalian e autore corrispondente dello studio.