Ученые воспроизвели пингвиний подход к стряхиванию льда и воды

Канадские ученые создали покрытие с гидрофобными и антиобледенительными свойствами как у перьев пингвина. Это пористая сеть из стальной проволоки, поверхность которой дополнительно текстурирована лазером. При замерзании воды каждая пора становится центром механического напряжения, и во всей ледяной корке появляются маленькие трещины, которые потом растут и расширяются, и в итоге лед отваливается. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces.

Обледенение создает человечеству множество проблем: от необходимости раньше вставать зимой, чтобы успеть прогреть машину до крупных аварий из-за обрывов проводов и затруднения авиасообщения. Чаще всего ледяную корку удаляют механически либо топят с помощью нагревания и обработки спиртовыми растворами с низкой температурой замерзания. Однако, ученые работают и над созданием так называемых пассивных антиобледенительных материалов, сама структура которых затрудняет образование ледяного слоя.

Чтобы сделать такое покрытие, нужно выполнить два частично противоречащих друг другу требования — уменьшить адгезию (сцепление) для твердого льда и жидкой воды. Для отталкивания воды ученые разрабатывают текстурированные поверхности с воздушной прослойкой между твердой и жидкой фазами. В этом случае время контакта воды с подложкой ограничено, и лед зачастую не успевает образоваться. Однако, если часть воды все же замерзла, на первый план выходит снижение адгезии льда — и здесь лучшие результаты показывают уже не текстурированные, а гладкие поверхности.

Кроме того, гидрофобность большинства материалов зависит от температуры и влажности, а сами текстуры часто бывают хрупкими и теряют свои свойства после нескольких циклов удаления льда. Это делает разработку практичных антиоблединительных покрытий еще труднее.

Энн Китциг (Anne Kietzig) и из ее коллеги из Университета МакГилл в Квебеке решили подойти к проблеме с другой стороны — сделать не такое покрытие, на котором ледяная корка никогда не образуется, а такое, с которого эта корка всегда будет легко отваливаться за счет образования трещин. Для этого надо было изучить, как зарождаются и растут трещины между слоем льда и подложкой и в самом слое льда, а также выяснить, какие свойства подложки этот процесс ускоряют.

В итоге структуру материала Китциг и ее коллеги подсмотрели у оперения пингвинов Гумбольдта (Spheniscus humboldti). Эти птицы проводят много времени, охотясь в ледяной воде, но их оперение остается свободным ото льда, да и вода на нем долго не задерживается.

Перо пингвина состоит из центрального стержня от которые отходят параллельные отростки (длиной до 1 сантиметра), а от них — отростки поменьше (длиной 10-20 микрометров). Поверхность больших и маленьких отростков покрыта параллельными бороздками на расстоянии примерно 0,5 микрометра друг от друга. Китциг и ее коллеги предположили, что пористая микрометровая структура способствует образованию трещин, а более мелкие бороздки в сочетании с гидрофобным кожным жиром обеспечивают водоотталкивающие свойства.

Чтобы создать похожий пористый материал, ученые сначала сплели сетку из стальной проволоки. Экспериментируя с плотностью плетения, Китциг и ее коллеги получили материал с порами размером от семи до пятнадцати микрометров. Затем готовые сетки дополнительно обработали лазером, в результате на металле образовались периодические структуры ([laser-induced periodic surface structures, LIPSS) — бороздки высотой около одного микрометра на расстоянии 0,5 микрометра друг от друга, очень похожие на те, которые покрывают перья пингвинов.

Роль гидрофобного жира в новом материале выполнял тонкий гидрофобный углеродистый слой, который вырастили на готовых LIPSS-текстурах с помощью обработки горячим углекислым газом. Чтобы изолировать вклад химии и текстурирования, ученые сделали также образцы и с гидрофильным оксидным покрытием и контрольную группу вообще без покрытия.

Материалы показали отличные водоотталкивающие свойства: до обработки лазером сетки имели краевой угол смачивания 120 градусов, с LIPSS-текстурами и гидрофобным покрытием — до 150 градусов. Гидрофобность оказалось достаточно стабильной: контактный угол не менялся после пяти циклов замерзания и стряхивания льда.

Эксперименты по стряхиванию льда проводили двумя способами — с помощью настольного прибора собственной конструкции и в аэродинамической трубе при температуре −20 градусов Цельсия (так ученые имитировали атмосферное обледенение при полете самолета). Все образцы отлично стряхивали лед — на 95 процентов эффективнее, чем нетекстурированная сталь в тех же условиях. Адгезия льда тоже была значительно ниже — 10-15 кПа против 600 кПа у нетекстурированной стали. (Считается, что для пассивного удаления льда достаточно снизить адгезию до 20 кПа). Рекордсменом оказался образец с самым «рыхлым» плетением, то есть с самым большим объемом пор.

Авторы особо отметили, что LIPSS-текстурирование не увеличивало адгезию льда: напротив, в некоторых случаях образцы с LIPSS стряхивали воду даже более эффективно. Наличие гидрофобного и гидрофильного покрытий тоже лишь в небольшой степени влияло на результат.

Авторы предположили такой механизм стряхивания льда: замерзание идет с выделением тепла, которое надо куда-то передать. Снаружи теплообмен происходит быстрее, поэтому лед над поверхностью пор образуется раньше, чем в глубине пор. В определенный момент жидкая вода в глубине поры оказывается погребена под слоем уже сформировавшегося льда. Когда, наконец, и эта последняя вода замерзает и расширяется (так как плотность льда ниже плотности воды), в слое льда над каждой порой возникает механическое напряжение. По мере накопления напряжения по всему материалу образуются первые трещины. Постепенно трещин становится больше, а сетчатая текстура помогает им вырасти и распространиться, и, наконец, слой льда теряет целостность и отделяется от поверхности материала. Чем больше объем пор, тем быстрее идет это процесс.

Таким образом, Китциг и ее коллегам впервые удалось соединить в одном материале водоотталкивающие и антиобледенительные свойства. Авторы также отмечают, что все полученные материалы стабильны и их можно будет нагревать, механически чистить, то есть использовать все традиционные способы борьбы с обледенением.

Ученые уже не в первый раз подсматривают у природы идеи для разработки гидрофобных материалов. Например, в 2019 году японские материаловеды создали покрытие, напоминающее кожу рыбы-ежа. Материал из звездообразных частиц оксида цинка в мягкой полимерной матрице, выдерживал нагревание до температуры 110 градусов Цельсия и оставался супергидрофобным даже после тысячи циклов трения и сгибания.