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Pesquisadores da Northwestern University criaram uma superfície antigelo híbrida potencialmente revolucionária que evita o acúmulo de gelo nas asas dos aviões e em outras superfícies, como linhas de energia, por dias a fio.
Segundo os pesquisadores, sua superfície de “macrotextura” especialmente projetada elimina o gelo antes que ele se acumule, principalmente devido a mudanças em sua geometria. Combinado com as propriedades aparentemente mágicas do material bidimensional grafeno, neste caso o óxido de grafeno, os pesquisadores dizem que sua nova abordagem evita 100% da geada acumulada por uma semana ou mais, tornando-o 1000 vezes mais eficaz do que até mesmo o mais avançado anti-congelante. -revestimentos gelados.
“Quando combinamos o óxido de grafeno com a superfície da macrotextura, ele resistiu ao gelo por longos períodos em alta supersaturação”, disse Kyoo-Chul Kenneth Park, da Northwestern, que liderou o estudo. “A superfície híbrida torna-se uma zona estável, duradoura e livre de gelo.”
Ao contrário dos tratamentos convencionais, a nova superfície antigelo mantém o seu desempenho quando riscada ou rachada. Também é barato e pode ser produzido em uma impressora 3D tradicional.
Tecnologia Anti-Frost Inspirada nas Folhas
Em seu estudo, os pesquisadores da Northwestern dizem que sabemos há milênios que o acúmulo de gelo nas folhas parece ocorrer apenas nas regiões convexas (planas) da folha. Por outro lado, a formação de geada tem muito mais dificuldade nas regiões côncavas (nervuras) da folha.
Esta observação levou Park a desenvolver um antecessor para sua nova superfície em 2020. Esse trabalho envolveu a criação de estruturas em escala milimétrica na superfície de um material para imitar a geometria das folhas, resultando em uma redução de 80% na geada.
“Há mais formação de geada nas regiões convexas de uma folha”, explicou Park na época do estudo. “Nas regiões côncavas (os veios) vemos muito menos geada. As pessoas notaram isso há vários milhares de anos. Notavelmente, não houve explicação de como esses padrões se formam. Descobrimos que é a geometria – e não o material – que controla isso.”
Ainda assim, a equipe acreditava que a manipulação da composição do material junto com a geometria poderia alcançar ainda mais benefícios antigelo. Isso resultou na inclusão do grafeno devido às suas inúmeras aplicações e propriedades únicas. Especificamente, a equipe cobiçava a capacidade do material 3D de atrair vapor d’água.
“O óxido de grafeno atrai vapor de água e então confina as moléculas de água em sua estrutura”, disse Park. “Portanto, a camada de óxido de grafeno atua como um recipiente para evitar o congelamento do vapor d’água.”
Como esperado, a combinação da superfície de macrotextura e do óxido de grafeno aumentou significativamente a prevenção de geadas. Segundo os pesquisadores, sua superfície híbrida apresentou a capacidade de prevenir 100% da geada acumulada por uma semana ou mais.
O novo revestimento também provou ser particularmente robusto. Segundo os investigadores, tem uma capacidade sem precedentes de resistir a fissuras e riscos e de manter o seu desempenho anti-gelo ideal.
“A maioria das outras superfícies anticongelantes são suscetíveis a danos causados por arranhões ou contaminação, o que degrada o desempenho da superfície ao longo do tempo”, explicou Park. “Mas nosso mecanismo anticongelante demonstra robustez contra arranhões, rachaduras e contaminantes, prolongando a vida útil da superfície.”
A superfície pode beneficiar asas de aviões e linhas de energia
Embora evitar a acumulação de gelo nas asas dos aviões seja uma preocupação crítica de segurança, a equipa de investigação observa que inúmeras indústrias poderiam beneficiar das propriedades anti-gelo das suas superfícies híbridas. Num exemplo, Park destaca a crise energética de 2021 no Texas, estimada em 195 mil milhões de dólares em danos “resultantes directos de geada, gelo e condições de frio extremo durante mais de 160 horas”.
“A acumulação indesejada de geada é uma grande preocupação nos setores industrial, residencial e governamental”, explicou Park. “Assim, é fundamental desenvolver técnicas antigelo que sejam robustas por longos períodos de tempo em condições ambientais extremas.”
Segundo os autores do estudo, desenvolver uma superfície que combata a geada foi apenas metade da batalha. Para que o seu revestimento anti-gelo tivesse benefícios abrangentes, também teria de ser fácil de fabricar e implementar. Felizmente, Park diz que sua equipe projetou sua técnica híbrida antigelo “com todas essas necessidades em mente”.
“Ele pode evitar o congelamento por semanas a fio e é escalonável, durável e facilmente fabricado por meio de impressão 3D”, explicou Park.
O novo revestimento também é incrivelmente versátil. Segundo Park, ele poderia ser adaptado para diversos usos, desde asas de avião e linhas de energia até pára-brisas e freezers de automóveis, todos com desafios e requisitos únicos.
“Atualmente não existe uma abordagem única porque cada aplicação tem necessidades específicas”, disse Park. “Embora os aviões exijam apenas alguns segundos de resistência ao gelo, as linhas de energia que operam em ambientes frios podem exigir dias ou semanas de resistência ao gelo, por exemplo. Com nossos novos insights, poderíamos projetar linhas de transmissão e asas de avião com adesão reduzida ao gelo.”
Em última análise, a equipe afirma que sua superfície híbrida antigelo pode aumentar a segurança, reduzir o uso de energia e prolongar a vida útil de materiais que sofrem acúmulo repetido de gelo. Estes benefícios também poderiam reduzir o tempo e a energia gastos na manutenção de linhas elétricas e outras superfícies, resultando em economias de custos significativas e aumentando a sustentabilidade.
“O desenvolvimento de novas técnicas antigelo é crucial para prevenir falhas mecânicas dispendiosas, ineficiências energéticas e riscos de segurança para operações críticas”, disse Park. “Esses tipos de alterações reduziriam muito os custos anuais de manutenção.”
O estudo, “Controle robusto de difusão híbrida para prevenção de geada escalável a longo prazo”, foi parcialmente financiado pela National Science Foundation e publicado em Avanços da Ciência.
Christopher Plain é romancista de ficção científica e fantasia e redator-chefe de ciências do The Debrief. Siga e conecte-se com ele no X, conheça seus livros em plainfiction.comou envie um e-mail diretamente para ele em christopher@thedebrief.org.
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