Как современная наука борется с обледенением
Хрупкий иней на ветвях, кружевные узоры на окнах, дорожные аварии, обрывы линий электропередач и затруднения авиаперелетов — все это про обледенение. Оно бывает следствием снегопадов или ледяных дождей, но это не обязательное условие: если вокруг достаточно влажно и холодно, ледяной слой может появиться прямо из воздуха. Впрочем, защищаться от обледенения человечество умеет: с древних времен лед удаляют механически или топят с помощью нагревания. В XX веке добавился еще один способ: обработка спиртовыми или солевыми растворами с низкой температурой замерзания.
Проблема в том, что все это требует дополнительных ресурсов — и чем ниже температура, тем больше времени и энергии нужно, чтобы полностью освободиться ото льда. Кроме того, ненавистные всем соли остаются на обуви, загрязняют почву и грунтовые воды, а очистка крыльев самолета, например, создает электромагнитные поля, которые мешают навигации. Этих недостатков лишены так называемые пассивные антиобледенительные материалы, сама структура которых затрудняет прикрепление и рост ледяного слоя. Рассказываем, как они устроены и как ученым, которые разрабатывают такие материалы, помогают солнце, перья пингвина и оксид графена.
Лучший вариант — вообще не дать ледяной корке закрепиться на поверхности. Трудность в том, что для этого нужно выполнить два частично противоречащих друг другу требования: с одной стороны, уменьшить адгезию для твердого льда, а с другой — для жидкой воды.
Чтобы материал был водоотталкивающим (гидрофобным), его поверхность текстурируют на микро- и наноуровне, оставляя между твердой и жидкой фазами воздушную подушку. Благодаря этому вода быстро скатывается с поверхности, и зачастую лед просто не успевает образоваться. К тому же воздушная подушка замедляет и процесс замерзания.
Однако, если идет снегопад или часть воды уже успела замерзнуть, на первый план выходит снижение адгезии льда. И далеко не каждый хороший гидрофобный материал оказывается также хорошим «ледофобным»: частицы льда могут застревать в текстурах, и в итоге сцепление с поверхностью, наоборот, улучшается.
Однозначно определить, насколько ледофобным (или, наоборот, ледофильным) будет новый материал, можно только экспериментально. Например, группа физиков из Гонконгского Городского Университета показала, что хорошими ледофобными свойствами обладают текстуры с одинокими неразветвленными столбиками, расположенными на расстоянии 100 микрометров и более. Капли воды отскакивают от такой поверхности, кусочки льда в ней тоже не застревают.
А другая группа китайских физиков из университета Худжоу отдельно рассмотрела, как рельеф поверхности влияет на потоки ветра, которые обдувают, например, крылья самолета. Ученые нашли оптимальный способ текстурирования, который не «гасит» воздушные потоки, а наоборот направляет их, чтобы эффективно сдувать воду и лед, а также препятствовать образованию новых кристаллов льда. Этот метод позволяет снизить массу льда на крыльях самолета на 40 процентов без использования нагревания.
К сожалению, практически все подобные материалы отличаются плохой стабильностью. Микро- и нанотекстуры всегда хрупкие, а условия эксплуатации у них суровые: перепады температур, загрязнения, механическая нагрузка при очищении льда. Чтобы продлить жизнь материалов, ученые идут на ухищрения — например, используют несколько уровней текстур, пряча более хрупкие между более прочными, а также добавляют сверху жидкий лубрикант. В 2025 году группа китайских материаловедов создала гидрофобный и ледофобный материал на основе полиуретана, который может самовосстанавливаться благодаря образованию подвижных связей в полимере.
Впрочем, текстуры — не единственный способ задержать обледенение поверхности. С другой стороны к проблеме в 2019 году подошли американские физики под руководством Сушанта Ананда (Sushant Anand) из Университета Иллинойса в Чикаго. Они наносили на поверхность слои циклогексана и циклооктана — гидрофобных углеводородов с температурами плавления от 5 до 15 oC. При температуре 0oC и чуть выше они остаются твердым, поэтому слой получается гораздо стабильнее, чем слой жидкого лубриканта. При этом близость фазового перехода заставляет материал работать своеобразным «тепловым депо»: поглощать тепло и сохранять его, не рассеивая и не пропуская дальше. В литературе такой подход закрепился под термином «Phase-switching materials», или PSL-материалы.
Когда капля воды конденсируется на поверхности материала, этот процесс сопровождается выделением тепла — из-за этого температура в месте конденсации в первый момент немного выше, чем вокруг него. Чтобы вода замерзла, нужно сначала отвести полученное тепло. PSL-материалы не позволяют этому произойти, и температура остается достаточно высокой, чтобы вода не замерзала. Кроме того, эксперимент Ананда и его коллег показал, что поверхность материала вокруг капли слегка подтаивала. Это дополнительно снижало сцепление, делая каплю подвижней. В итоге скорость образования ледяной корки уменьшилась в триста раз. Покрытие выдерживало до 15 циклов замерзания-оттаивания, а обновить его можно очень быстро: достаточно нанести новый слой.
Благодаря своей доступности и стабильности PSL-материалы быстро завоевали популярность. Например, в прошлом году китайские ученые разработали антиобледенительный материал для дорожного покрытия. К обыкновенному асфальту они добавили 5 процентов PSL-материала, а также соль, которая снижает уже температуру плавления воды. Соль добавляли непосредственно в асфальтовую массу, а не насыпали сверху. Тестирование подтвердило, что две добавки действуют синергетически. «Тепловое депо» от PSL-материала сдерживает образование ледяной корки в первые минуты. За это время соль успевает продиффундировать к поверхности и раствориться. Температура плавления раствора понижается, и образование ледяной корки вновь откладывается. В итоге удается сдерживать обледенение, не загрязняя все вокруг большим количеством соли.
Правда, подобные материалы эффективны только в не очень холодном воздухе (до -15 оС), когда главный механизм намокания поверхности — конденсация. При сильных морозах или, например, под ледяным дождем эффект быстро сходит на ноль.
Эксперименты показывают, что даже самые эффективные материалы могут только замедлить обледенение. Совсем остановить этот процесс невозможно, особенно при сильных морозах, но можно пойти иным путем: заставить ледяную корку вырасти дефектной и отвалиться самостоятельно. Звучит сложно, но на пористой поверхности ледяной слой почти всегда получается с изъянами.
Причина — в разнице плотности льда и воды.
Дело в том, что, как и конденсация в примере выше, замерзание идет с выделением тепла. Если снаружи достаточно холодно, а поры материала достаточно объемные, то процесс образования ледяной корки идет сверху вниз. В какой-то момент жидкая вода в порах оказывается погребена под слоем уже затвердевшего льда. Когда, наконец, и эта вода превращается в лед, в порах для него не хватает места — как в трубах, из которых не успели слить воду перед холодным сезоном. В результате по всему слою возникает напряжение.
Наращивать это напряжение научились канадские материаловеды под руководством Энн Китциг. Правильную структуру и размер пор ученые подсмотрели у пингвинов Гумбольдта (Spheniscus humboldti). Эти птицы много времени проводят в ледяной воде, но их оперение никогда не замерзает.
Чтобы воспроизвести текстуру перьев, ученые сплели из проволоки сетку, обработали ее лазером и горячим углекислым газом, таким образом придав дополнительную гидрофобность. Получился сетчатый материал с порами размером от 7 до 15 микрометров. При замерзании воды каждая пора становится центром образования микротрещин, а их взаимное расположение помогает трещинам расти и расширяться. В результате ледяной слой теряет целостность и отваливается.
Пингвинья сеть отлично стряхивала лед при -20 oC в аэротрубе, с помощью которой ученые имитировали условия эксплуатации крыльев самолета. Однако такие материалы хорошо подойдут и для использования на земле и даже на воде — например, для деталей арктических ледоколов. Температура и пути намокания почти не влияют на их эффективность.
Еще один способ стряхивания льда — использование вибраций. Иногда их создают искусственно, например, добавляя пьезоэлектрик, однако часто вибрации возникают сами собой. Группа китайских материаловедов из нанкинского Университета Аэронавтики и Астронавтики разработала пористое покрытие из полидиметилсилоксана, которое лучше всего подходят для такой очистки. Форма пор усиливает вибрации в материале, благодаря этому трещины расширяются, а сам материал при этом остается стабильным.
Еще один способ избавиться ото льда — растопить его. Материалы, которые используют для этой цели солнечную энергию, называют фототермальными. На практике этот подход чаще всего комбинируется с каким-то другим: например, с гидрофобными текстурами или добавками солей-депрессантов. Проблема в том, что зимнее солнце светит неярко, а поглощение у белого снега и льда низкое. Поэтому существенного результата достичь непросто.
Чтобы эффективнее поглощать свет и переводить его в тепло, используют разные материалы: от обыкновенной сажи и биоугля и других углеродных материалов до плазмонных частиц на основе золота. При этом не рассеиваться драгоценному теплу помогает дополнительное текстурирование. Например, китайские материаловеды из Университета Дунхуа использовали массивы параллельно расположенных нанотрубок, которые напоминают текстуру шерсти полярного медведя. Получился гидрофобный материал, поверхность которого за несколько минут нагревалась до 98 оС без дополнительных источников энергии. При такой температуре ледяная корка существовать не может, да и жидкая вода быстро испаряется с поверхности.
Проблем у фототермальных материалов две: высокая цена и плохая стабильность. Полностью избавиться от первой вряд ли когда-то получится, но со второй ученые уже понемногу справляются.
Например, китайские материаловеды из северо-восточного университета в Шэньяне использовали два уровня текстур. Более крупные и прочные пирамиды дают небольшой гидрофобный эффект и выполняют функцию брони, а между ними прячется более хрупкое фототермальное покрытие на основе модифицированного оксида графена. В итоге материал успешно выдержал не только абразивные нагрузки, но и обработку щелочью, а его поверхность быстро нагревалась до 76 оС с помощью одного лишь солнечного света.
Большая часть упомянутых материалов — совсем новые разработки, которые пока не вышли за пределы лабораторий. Некоторые разновидности антиобледенительных материалов уже выходят на рынок — например, гидрофобное покрытие с добавками депрессантов от американской компании Microphase Coatings. Другим упомянутым разработкам это только предстоит.
Однако уже сейчас понятно, что эффективность ледофобных покрытий будет зависеть от погодных условий: для влажных и не очень морозных зим хорошо подойдут PSL покрытия, для солнечных — фототермальные. А вот разные виды текстурирования и «пингвинья сетка» будут работать более-менее везде. Имеет значение и цена. Например, при всей элегантности и эффективности золотых плазмонных частиц, они останутся слишком дорогими для дорожных покрытий.
Тем не менее, для каждой задачи можно подобрать материал, который позволит не только топить и счищать лед грубой силой, но и обманывать его, используя законы физики и химии.