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

Óxido de grafeno

11 de noviembre de 2024 09:30 Robert Klatt

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 prevenir 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 heladas, el hielo y las condiciones de 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 texturas de tamaño milimétrico dentro de una superficie pueden reducir la formación de escarcha hasta en un 80 por ciento. Los científicos se inspiraron para ello 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 venas de las hojas. La gente ha observado esto durante miles de años. Sorprendentemente, sin embargo, no hubo explicación sobre cómo surgen estos patrones. Descubrimos que es la geometría, no el material, la que determina esto”.

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 las depresiones, creando pequeñas zonas libres de heladas. A partir de este descubrimiento, los científicos han desarrollado una superficie con protuberancias y depresiones de tamaño milimétrico y pequeños ángulos entre ellas, que ya ha podido 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 formación de escarcha podría evitarse por completo gracias a la capa de óxido de grafeno, que tiene sólo 600 micrómetros de espesor.

“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 un recipiente que evita que el vapor de agua se congele. En combinación con la superficie macroestructurada, el material híbrido pudo permanecer protegido de las 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 por ciento durante 160 horas. Por el contrario, los agentes superhidrófobos, es decir, repelentes al agua, y las superficies que contienen lubricantes funcionan durante un máximo de cinco horas y previenen las heladas sólo entre un cinco y un 36 por ciento. 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 susceptibles a sufrir daños por rayones 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 diferentes áreas de aplicación, no solo en las ventanillas de los automóviles. Los científicos citan como ejemplos las alas de los aviones, donde las heladas aumentan la resistencia del aire, y los congeladores y refrigeradores, en los que las heladas reducen considerablemente la eficiencia energética.

“El desarrollo de nuevas tecnologías anticongelantes es fundamental para prevenir costosas fallas mecánicas, ineficiencias energéticas y riesgos de seguridad en aplicaciones críticas. Actualmente no existe un enfoque universal ya que cada aplicación tiene requisitos específicos. Mientras que los aviones sólo necesitan ser resistentes a las heladas durante unos segundos, las líneas de transmisión en ambientes fríos pueden requerir días o semanas de resistencia a las heladas. 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