Eine Reihe von Kupfer-Nanodrähten zeichnet sich durch passive Enteisung aus – Physics World

Forscher in China haben eine passive Beschichtung vorgestellt, die Eis und Reif von Oberflächen fast zu 100 % wirksam entfernt. Das Design des Teams umfasst eine Reihe von Kupfer-Nanodrähten, die hervorragende photothermische, wärmeleitende und superhydrophobe Eigenschaften kombinieren, um eine sehr hohe Abtaueffizienz zu erreichen.

Die Beschichtung wurde von entwickelt Siyan Yang und Kollegen an der Dalian University of Technology, der City University of Hong Kong und der Hong Kong Polytechnic University.

Die Bildung von Eis auf kalten Oberflächen kann in einer Vielzahl von Situationen zu Problemen führen, vom kryogenen Einfrieren bis hin zu Flugzeugflügeln. Obwohl verschiedene Techniken zur Entfernung von Eis und Reif entwickelt wurden, weisen sie alle Mängel auf. „Herkömmliche Enteisungs- und Enteisungslösungen basieren hauptsächlich auf mechanischen, thermischen und chemischen Ansätzen, die alle entweder energieintensiv, arbeitsintensiv oder umweltschädlich sind“, erklärt Yang. „Außerdem erforderten einige dieser aktiven Ansätze direkten Kontakt mit der Materialoberfläche, was ein Risiko für empfindliche Beschichtungen darstellt.“

Passive Ansätze

In jüngerer Zeit ist bei der Enteisungs- und Enteisungstechnologie eine Verlagerung hin zu passiven Ansätzen zu verzeichnen, bei denen Materialoberflächen modifiziert werden, um die Bildung und den Aufbau von Eis zu verhindern. Dabei geht es oft darum, rutschige, hydrophobe oder sogar phasenverändernde Oberflächen zu entwerfen. Diese können den Kraftaufwand verringern, der zum physischen Entfernen von Eis und Reif erforderlich ist, oder verhindern, dass Wassertropfen überhaupt anhaften und gefrieren.

Ein besonders vielversprechender Fortschritt war die Entwicklung photothermischer Beschichtungen, die Sonnenlicht in Wärme umwandeln und so Eis und Reif schmelzen, selbst bei Minusgraden. Allerdings wurde diese Technologie durch die begrenzte Wärmeleitfähigkeit bestehender Beschichtungen gebremst. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Erwärmung und starken Wechselwirkungen zwischen Oberflächen und Wassertröpfchen, was zu einer ungleichmäßigen Entfernung des Schmelzwassers führt – was beides die Abtauleistung einschränkt.

Jetzt haben Yang und Kollegen eine neue Art von Oberfläche entworfen, die diese Herausforderungen angeht. Auf der Oberfläche befindet sich eine Reihe von Kupfer-Nanodrähten, die mithilfe einer einfachen Elektroabscheidungsmethode zusammengesetzt werden. Nach Angaben des Teams vereint ihr Design hervorragende photothermische, wärmeleitende und superhydrophobe Eigenschaften in einem einzigen Material.

Aufrecht und hydrophob

Das hochgeordnete Muster aus Nanodrähten absorbiert Sonnenlicht sehr gut – und die hohe Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ermöglicht eine schnelle und gleichmäßige Verteilung der eingefangenen Wärme über das gesamte Array. Zu den Nanodrahtmustern, die das Team erstellte, gehörte eine Anordnung aufrechter Nanodrähte, die durch Mikrorillen mit einem Durchmesser von etwa 2–3 Mikrometern getrennt waren. Diese Struktur machte die Oberfläche extrem hydrophob und ermöglichte ein gleichmäßiges Abfließen des Schmelzwassers.

Eiskristalle springen bei neuer elektrostatischer Enteisungstechnik von Oberflächen

„Durch Benetzbarkeits- und photothermische Tests haben wir herausgefunden, dass die meisten Nanodrahtanordnungen als superhydrophob behandelt werden können, mit einer Sonnenlichtabsorptionsrate von mehr als 95 %“, erklärt Teammitglied Qixun Li. „Aufgrund der hohen Leitfähigkeit von Kupfermaterialien ermöglichen Nanodrahtbaugruppen eine hervorragende Enteisungs- und Enteisungsleistung.“

Das Ergebnis ist, dass fast 100 % des Eises und Reifs von der Oberfläche entfernt werden, was laut dem Team die höchste Enteisungseffizienz ist, die jemals auf einer passiven Oberfläche erreicht wurde.

Der Entwurf des Teams ist vorerst nicht für den praktischen Einsatz geeignet. Ihre Nanodraht-Arrays haben eine begrenzte Haltbarkeit, sind anfällig für chemische Schäden und ihre Herstellung in größerem Maßstab bleibt schwierig und teuer. Die Forscher hoffen jedoch, dass weitere Forschungen, aufbauend auf ihren Ergebnissen, bald zu Materialien mit einer ähnlichen Auftauleistung führen könnten, was einer kommerziellen Markteinführung einen Schritt näher kommt.

Die Forschung ist in der beschrieben Internationale Zeitschrift für extreme Fertigung.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/array-of-copper-nanowires-excels-at-passive-de-icing/