L'Università del Michigan ha annunciato lo sviluppo di una nuova classe di vernici a spruzzo basate su una bassa tenacità interfacciale, che fanno distaccare facilmente il ghiaccio dalle superfici di navi cargo, aerei, linee elettriche e altre grandi strutture.
I ricercatori hanno superato un importante limite delle precedenti vernici gelo-repellenti – mentre queste funzionano bene su aree piccole, i ricercatori hanno scoperto con prove sul campo che non distaccano il ghiaccio così efficacemente anche dalle grandi superfici. Questo è un problema, poiché il ghiaccio tende a creare danni più grandi sulle superfici più grandi – riducendo l'efficienza, mettendo a repentaglio la sicurezza e rendendo necessaria una costosa rimozione.
Hanno chiarito questo problema con una "bella dimostrazione meccanica". Anish Tuteja, professore associato di scienza e ingegneria dei materiali, ha descritto come lui e i suoi colleghi si siano concentrati verso una proprietà finora poco nota nelle ricerche sul ghiaccio.
"Per decenni la ricerca sui rivestimenti si è concentrata sulla diminuzione della forza di adesione – la forza richiesta per ogni unità di area di una superficie per strappare via una lastra di ghiaccio", ha spiegato Tuteja. "Il problema di questa strategia è che più è grande lo strato di ghiaccio e più forza è necessaria. Abbiamo scoperto che stavamo andando a sbattere contro i limiti della bassa forza di adesione e che le nostre vernici diventavano inefficaci quando la superficie si ingrandiva".
Le nuove vernici risolvono il problema introducendo una seconda strategia: la bassa tenacità interfacciale, abbreviata in LIT. Le superfici con bassa tenacità interfacciale favoriscono la formazione di crepe tra il ghiaccio e la superficie. E a differenza della rottura dell'adesione superficiale di una lastra di ghiaccio, che richiede la lacerazione dell'intera lastra, una crepa rompe solo la superficie libera lungo il bordo anteriore. Una volta innescata la crepa, questa si può facilmente estendere all'intera superficie ghiacciata, indipendentemente dalle sue dimensioni.
"Immaginate di trascinare un tappeto su un pavimento", ha affermato Michael Thouless professore di ingegneria meccanica titolare della Cattedra di Ingegneria Janine Johnson Weins. "Più grande è il tappeto, più difficile è muoverlo. La forza dell'intera interfaccia tappeto/pavimento ci oppone resistenza. La forza di attrito è analoga alla
forza interfacciale. Ma ora immaginate che in quel tappeto ci sia una piega. È facile mantenere quella piega nel tappeto, indipendentemente da quando è grande il tappeto. La resistenza alla propagazione della piega è analoga alla tenacità interfacciale, che resiste alla propagazione della crepa".
Thouless ha affermato che il concetto della tenacità interfacciale è ben noto nel campo delle fratture meccaniche, dove è alla base di prodotti come superfici laminate o giunti adesivi per aeromobili. Ma fino ad ora non è mai stato applicato nel campo della gestione del ghiaccio. La svolta c'è stata quando Thouless è venuto a conoscenza del precedente lavoro di Tuteja, vedendovi un'opportunità.
"Tradizionalmente solo i ricercatori che si dedicano alla fratture meccaniche tengono conto della tenacità interfacciale, mentre nelle ricerche sul ghiaccio si considera solo la forza interfacciale", ha spiegato Thouless. "Ma entrambi i parametri sono importanti per comprendere l'adesione. Ho fatto notare a Anish che se avesse dovuto testare lunghezze crescenti delle lastre di ghiaccio, avrebbe scoperto che il carico di rottura sarebbe aumentato con una forza interfacciale importante, ma che poi si sarebbe stabilizzato una volta diventata importante la tenacità interfacciale. Anish e i suoi studenti hanno effettuato degli esperimenti e concluso con una bella dimostrazione delle proprietà meccaniche e con un nuovo concetto di adesione del ghiaccio".
Per testare l'idea, il team di Tuteja ha utilizzato una tecnica affinata durante le precedenti ricerche sui rivestimenti. Mappando le proprietà di un'ampia varietà di sostanze e aggiungendo all'equazione la tenacità superficiale e la forza di adesione, sono stati in grado di prevedere matematicamente le proprietà di una vernice, senza il bisogno di testare fisicamente ognuna di esse. Questo ha permesso loro di creare un'ampia varietà di combinazioni, ciascuna con un equilibrio personalizzato tra tenacità interfacciale e forza di adesione.
Hanno testato svariate vernici su grandi superfici – una lamiera di alluminio rigido di circa 30 cm2 e un pezzo di alluminio flessibile largo circa 2,5 cm e lungo circa 90 cm, per simulare una linea elettrica. Su ogni superficie il ghiaccio è caduto subito per via del suo stesso peso. Tuttavia si attaccava velocemente alle superfici di controllo, identiche nelle dimensioni – una non verniciata e una verniciata con una preesistente versione di vernice ghiaccio-repellente.
Il passo successivo del team sarà migliorare la durabilità delle vernici LIT.
Lo studio è intitolato "Materiali con Bassa Tenacità Interfacciale per un De-Icing Efficace su Larga Scala". Oltre a Tuteja e Thouless, il team comprendeva il ricercatore laureato in ingegneria e scienza macromolecolare all'Università del Michigan Abhishek Dhyani e l'ex dottorando in scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan Kevin Golovin. La ricerca è stata finanziata dall'Ufficio di Ricerca Navale, dall'Ufficio Aeronautico di Ricerca Scientifica, dalla Fondazione Nazionale Scienza e dal programma Nanomanufacturing (contributo #1351412).