Материаловеды из Школы инженерных и прикладных наук им. Генри Самуэли при Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе и их коллеги из Китая разработали покрытие, предотвращающее обледенение, прообразом которого послужил механизм, с помощью которого антарктические виды рыб не дают своей крови замерзнуть.
Исследование, опубликованное в научном журнале Matter, предполагает, что новое покрытие может оказаться экономически доступным и универсальным решением по предотвращению обледенения при низких температурах таких важных деталей, как крылья самолетов, наружные трубопроводы, и другого оборудования. Это первый противообледенительный материал, действующий на трех разных стадиях образования льда.
"Образование льда начинается с зародышеобразования, когда формируется небольшой зародыш кристалла, который затем вырастает и прилипает к поверхности", — говорит Симинь Хэ, руководитель исследования и доцент кафедры материаловедения и технологии материалов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. "Хотя существуют различные противообледенительные средства, они направлены только на один из трех аспектов этого сложного процесса либо рассчитаны только на определенные типы поверхностей. Новое покрытие легко наносить, и оно очень долговечное; это универсальное решение по предотвращению образования льда на самых разных поверхностях, от пластика до металла и керамики, действующее в различных условиях".
Гель в основном состоит из воды, но его ключевым компонентом является полидиметилсилоксан, нетоксичный полимер на основе силикона, использующийся в контактных линзах, косметике, смазках и других изделиях, требующих скользкости.
При распылении на поверхность он образует тонкий прозрачный слой, способствующий предотвращению обледенения на трех уровнях: снижает температуру замерзания воды на поверхности, задерживает рост кристаллов льда и затрудняет прилипание льда к поверхности.
Исследователи испытали покрытие на нескольких материалах, включая пластмассу, стекло, керамику и металлы. Оно установило рекорд, предотвратив образование льда при температурах до -31 °C (или -23,8 °F). Предыдущий рекорд в -28 °C (-18,4 °F) был установлен в 2016 году при испытании другого покрытия, нанесенного на кремний и стекло. (Группу ученых, проводивших то исследование, возглавлял Цзяньцзюнь Ван из Китайской академии наук в Пекине, который также является соавтором последнего исследования)
Вода, как правило, замерзает при температуре около 0 °С (32 °F), хотя точная точка замерзания зависит от условий окружающей среды.
Гидрогель также установил рекорд по времени задержки образование льда при температуре -25 °C (-13 °F). В рамках данного исследования образование льда на материалах (среди которых были пластмасса, стекло, керамика и металлы), покрытых гидрогелем, занимало при такой температуре более 65 минут, что на 40 минут дольше, чем зафиксировано в предыдущем рекорде 2016 года.
Даже если на поверхности предмета образовывался лед, скользкость гидрогеля упрощает его удаление с помощью простой щетки или воздушной струи, при этом не требуется ни скоблить, ни нагревать поверхность.
В 1960-х годах ученые узнали, что несколько видов антарктических рыб вырабатывают белки, действующие как антифриз для их кровеносной системы. Подобные белки были обнаружены у насекомых, микроорганизмов и растений. Новое покрытие действует, частично подражая молекулярной структуре таких белков.
Большая часть экспериментов проводилась в лаборатории, хотя одно испытание прошло вне помещения, в Пекине, при минусовой температуре.
Помимо Симинь Хэ, другими авторами исследования из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе являются Чжиюань Хэ, Мутянь Хуа, Шуван У и Дун У, члены исследовательской группы Симинь Хэ. Другие авторы — это Чэньян У и Цзяньцзюнь Ван из Китайской академии наук в Пекине, а также Синьюань Чжу из Шанхайского университета Цзяотун.
В этом проекте опыт Симинь Хэ в области гидрогелей объединился с исследованиями противообледенительных средств в лаборатории Вана при Китайской академии наук.
Исследование прошло при поддержке Национального научного фонда, Управления научных исследований ВВС, фонда Hellman Fellows и Национального фонда содействия развитию науки Китая.
