"Liquid-infused nanostructured surfaces with extreme anti-ice and anti-frost performance". P. Kim, T. S. Wong, J. Alvarenga, M. J. Kreder, W. E. Adorno-Martinez, J. Aizenberg. ACS NANO. In press.
DOI: 10.1021/nn302310q
Ice-repellent coatings can have significant impact on the global energy
saving and improving safety in many infrastructures, transportation, and
cooling systems. Recent efforts for developing ice-phobic surfaces have
been mostly devoted to utilize lotus leaf-inspired superhydrophobic
surfaces, yet these surfaces fail in high humidity conditions due to
water condensation and frost formation and even lead to increased ice
adhesion due to a large surface area. We report a radically different
type of ice-repellent material based on slippery, liquid-infused porous
surfaces (SLIPS), where an ultrasmooth and slippery liquid interface is
maintained by infusing a water-immiscible liquid into a nanostructured
surface. We develop a direct fabrication method of SLIPS on industrially
relevant metals, particularly aluminum, one of the most widely used
materials as cooling fins in heat exchangers and lightweight structural
materials for aircraft, marine vessels, and construction materials. We
demonstrate that SLIPS-coated Al surfaces not only suppress ice/frost
accretion by effectively removing condensed moisture even in
high-humidity conditions, but also exhibit at least an order of
magnitude lower ice adhesion than state-of-the-art materials. Based on a
theoretical analysis followed by extensive icing/deicing experiments,
we discuss special advantages of SLIPS as ice-repellent surfaces: highly
reduced sliding droplet sizes resulting from the extremely low contact
angle hysteresis. We show that our surfaces remain essentially
frost-free even in high humidity conditions, in which any conventional
materials accumulate ice. These results indicate that SLIPS is a
promising candidate for developing robust anti-icing materials for broad
applications, such as refrigeration, aviation, roofs, wires, outdoor
signs, wind turbines.
Los recubrimientos repelentes de hielo pueden tener un impacto significativo en el ahorro global de energía y en el mejoramiento de la seguridad relacionada con infraestructuras, transportación y sistemas de enfriamiento. Los esfuerzos recientes para el desarrollo de superficies hielofóbicas han sido dedicados principalmente a la utilización de supeficies superhidrofóbicas inspiradas en la hoja de lotus, sin embargo aún estas superficies fallan ante condiciones de alta humedad, debido a la condensación del agua y a la formación de escarcha, lo que incluso lleva a un aumento en la adhesión del hielo gracias a la alta área superficial. Aquí se reporta un tipo de material repelente de hielo que es radicalmente distinto, el material se basa en "slippery", superficies porosas con infusión de líquidos (SLIPS), las cuales mantienen una interfaz líquida ultrasuave y resbaladiza a partir de la infusión de un liquido inmiscible en agua en una superficie nanoestructurada. Se desarrolló un método de fabricación directa de SLIPS en metales de importancia industrial, en particular en aluminio, que es uno de los materiales más ampliamente usados como aletas en intercambiadores de calor y en materiales estructurales de bajo peso de aviones, barcos y de materiales de construcción. Se demuestra que las superficies de aluminio recubiertas con SLIPS no solamente impiden la formación de hielo/escarcha a partir de la remoción efectiva de la humedad condensada, incluso en condiciones de alta humedad, sino que también exhibe una menor adhesión al hielo, en un orden de magnitud menos que los materiales actuales. Basados en un análisis teórico, seguido de experimentos extensivos de formación de hielo y deshielo, se discuten las ventajas especiales de los SLIPS como superficies repelentes de hielo: una alta reducción de los tamaños de las gotas que resbalan, lo cual resulta en una histéresis extremadamente baja del ángulo de contacto. Se muestra que estas superficies se mantienen libres de escarcha aún bajo condiciones de alta humedad, ante las cuales la mayor parte de los materiales convencionales acumulan hielo. Estos resultados indican que los SLIPS son un candidato promisorio para el desarrollo de materiales robustos antiescarcha en una amplia cantidad de aplicaciones, tales como refrigeración, aviación, techos, cables, señalizaciones, turbinas de viento.
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