El nuevo revestimiento mantiene las superficies libres de escarcha durante siete días

Una superficie híbrida con macroestructuras y óxido de grafeno evita por completo la formación de escarcha. El revestimiento puede mantener las ventanillas de los automóviles, las líneas de transmisión, las alas de los aviones y otras superficies libres de escarcha durante siete días.

Evanston (Estados Unidos). Investigadores de la Universidad Northwestern (NU), dirigidos por Kyoo-Chul Kenneth Park, han estado trabajando durante varios años en recubrimientos destinados a evitar heladas no deseadas en diversas superficies.

“La formación de heladas no deseadas es un problema importante en los sectores industrial, privado y gubernamental. Por ejemplo, la crisis energética de Texas en 2021 resultó en daños por 195 mil millones de dólares directamente atribuibles a las condiciones de congelación, hielo y frío extremo durante más de 160 horas”.

Según Park, los recubrimientos correspondientes deberían durar varios días incluso en condiciones ambientales extremas y ser fáciles de producir y aplicar. Los investigadores descubrieron en 2020 que las estructuras de tamaño milimétrico dentro de una superficie pueden reducir la formación de escarcha hasta en un 80%. Los científicos se inspiraron en la estructura ondulada de las hojas.

“Se forma más escarcha en las zonas convexas de una hoja. Vemos mucha menos escarcha en las zonas cóncavas, es decir, en las nervaduras de las hojas. La gente lo ha estado observando durante miles de años. Sin embargo, sorprendentemente no hubo explicación sobre cómo surgieron estos patrones. Descubrimos que es la geometría, no el material, lo que lo determina».

Condensación en superficies onduladas

El equipo de Park descubrió en 2020 que la condensación es más fuerte en las colinas de hojas que en los huecos. El agua se evapora en depresiones, creando pequeñas zonas libres de heladas. A partir de este descubrimiento, los científicos han desarrollado una superficie con protuberancias y depresiones de milímetros de ancho y pequeños ángulos intermedios, que ya ha logrado evitar una gran parte de la formación de escarcha.

Según su publicación en la revista Science Advances, ahora han ampliado esta superficie para incluir óxido de grafeno en las depresiones. La capa de óxido de grafeno, de sólo 600 micrómetros de espesor, pudo evitar por completo la formación de escarcha.

“El óxido de grafeno atrae el vapor de agua y une las moléculas de agua en su estructura. Así funciona la capa de óxido de grafeno. como recipiente que evita que el vapor de agua se congele. En combinación con la superficie macroestructurada, el material híbrido logró permanecer libre de heladas durante mucho tiempo, incluso con altos niveles de sobresaturación”.

Mejor efecto que otras superficies anticongelantes.

En experimentos, la nueva superficie anticongelante pudo evitar la formación de escarcha en un 100% durante 160 horas. Los agentes superhidrófobos, es decir, repelentes al agua, y las superficies que contienen lubricantes, por el contrario, funcionan hasta cinco horas y evitan la congelación solo entre un 5 y un 36%. Otra ventaja de la estructuración de la superficie en combinación con la capa de óxido de grafeno es la alta resistencia a grietas, rayones y suciedad.

“La mayoría de las demás superficies anticongelantes son propensas a sufrir daños por rayaduras o contaminación, lo que reduce el rendimiento de la superficie con el tiempo. Sin embargo, nuestro mecanismo anticongelante demuestra resistencia a rayones, grietas y contaminación, lo que extiende la vida útil de la superficie”.

Según los investigadores, los resultados muestran que la superficie híbrida con macroestructura y óxido de grafeno se puede utilizar en diversos campos de aplicación, no solo en las ventanillas de los automóviles. Como ejemplos, los científicos citan las alas de los aviones, donde las heladas aumentan la resistencia del aire, y los congeladores y refrigeradores, donde las heladas reducen significativamente la eficiencia energética.

“El desarrollo de nuevas tecnologías antihielo es fundamental para evitar costosas fallas mecánicas, ineficiencias energéticas y riesgos de seguridad en aplicaciones críticas. Actualmente no existe un enfoque único que sirva para todos, ya que cada aplicación tiene requisitos específicos. Mientras que los aviones sólo necesitan ser resistentes al congelamiento durante unos segundos, las líneas de transmisión en ambientes fríos pueden requerir días o semanas de protección contra el congelamiento. Con nuestros nuevos hallazgos, podríamos diseñar líneas de transmisión y alas de aviones con una adherencia reducida al hielo. Tales cambios reducirían significativamente los costos de mantenimiento anual”.

Avances científicos, doi: 10.1126/sciadv.adq8525