Gli scienziati dei materiali della UCLA Samueli School of Engineering e i loro colleghi in Cina hanno sviluppato un rivestimento per la prevenzione della formazione del ghiaccio ispirato al modo in cui le specie ittiche antartiche evitano il congelamento del sangue.
Il loro studio, pubblicato su Matter, suggerisce che il nuovo rivestimento potrebbe essere una soluzione economica e versatile per prevenire il congelamento di parti critiche su ali di aerei, tubi esterni e altre apparecchiature esposte alle basse temperature. È il primo materiale che impedisce la formazione del ghiaccio agendo su tre aspetti distinti della stessa.
"La formazione di ghiaccio inizia dalla nucleazione, quando un piccolo seme di cristallo di ghiaccio per prima cosa si forma, cresce e poi infine aderisce a una superficie, ha affermato Ximin He, che ha condotto lo studio ed è un professore assistente di scienze dei materiali e ingegneria dell'UCLA. "Nonostante ci siano già soluzioni anti-ghiaccio, queste sono progettate per affrontare solo uno dei tre aspetti di questo complesso processo, oppure funzionano solo su determinate tipologie di superfici. Questo nuovo rivestimento è semplice da realizzare e molto resistente; è una soluzione tutto in uno per prevenire la formazione di ghiaccio su molte superfici diverse, dalla plastica ai metalli alla ceramica, e in condizioni diverse."
Il gel è composto principalmente da acqua, ma il suo ingrediente chiave è il polidimetilsilossano, un polimero non tossico, a base di silicone, utilizzato in lenti a contatto, cosmetici, lubrificanti e altre applicazioni che richiedono una certa scivolosità.
Quando viene spruzzato su una superficie, forma uno strato sottile e trasparente che aiuta a prevenire il congelamento in tre modi diversi: abbassando la temperatura di congelamento dell'acqua sulla superficie, ritardando la crescita dei cristalli di ghiaccio e rendendo difficile l'adesione del ghiaccio alla superficie.
I ricercatori hanno testato il rivestimento su diversi materiali, tra cui plastica, vetro, ceramica e metalli. Esso ha stabilito un record impedendo la formazione di ghiaccio fino al raggiungimento di una temperatura pari a 31 gradi sotto zero Celsius (o 23,8 gradi sotto zero Fahrenheit). Il precedente record di 28 gradi sotto zero Celsius (18,4 gradi sotto zero Fahrenheit) era stato stabilito nel 2016 quando fu applicato un rivestimento diverso su silicio e vetro. (Il gruppo di ricerca che ha condotto tale studio è stato guidato da Jianjun Wang dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, che è stato anche co-autore delle ultime ricerche.)
L'acqua solitamente congela quando la temperatura è intorno allo zero Celsius (32 gradi Fahrenheit), anche se il punto di congelamento preciso dipende dalle condizioni ambientali.
L'idrogel ha anche stabilito un record per il tempo impiegato nel ritardare la formazione di ghiaccio a una temperatura di 25 gradi sotto zero Celsius (13 gradi sotto zero Fahrenheit). Nello studio, materiali tra cui plastica, vetro, ceramica e metalli che sono stati rivestiti con l'idrogel hanno impiegato più di 65 minuti affinché il ghiaccio si formasse a quella temperatura, 40 minuti in più rispetto al record precedente, anch'esso stabilito durante lo studio del 2016. Anche se il ghiaccio si forma sulla superficie di un oggetto, la scivolosità dell'idrogel facilita la sua rimozione semplicemente spazzolandolo o soffiandolo, senza bisogno di raschiatura o calore.
Negli anni '60, gli scienziati hanno scoperto che diverse specie di pesci antartici producono proteine che funzionano come antigelo per i loro flussi di sangue. Da allora proteine simili sono state trovate in insetti, microrganismi e piante. Il nuovo rivestimento funziona in parte imitando la struttura molecolare di quelle proteine.
I ricercatori hanno condotto gran parte dell'esperimento in un laboratorio, sebbene un test sia stato eseguito all'aperto, a Pechino, a temperature sotto lo zero.
Oltre a Ximin He, altri autori dello studio dell'UCLA includevano Zhiyuan He, Mutian Hua, Shuwang Wu e Dong Wu, tutti membri del gruppo di ricerca di Ximin He. Gli altri autori erano Chenyang Wu e Jianjun Wang, dell'Accademia cinese delle scienze di Pechino, e Xinyuan Zhu dell'Università Jiao Tong di Shanghai. Questo progetto ha combinato l'esperienza di Ximin He sugli idrogel con la ricerca antigelo del laboratorio di Wang presso l'Accademia cinese delle scienze. Lo studio è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dall'Air Force Office of Scientific Research, dall'Hellman Fellows Fund e dalla National Natural Science Foundation della Cina.