Kävelevää vettä ja jään sähköistä poistoa

Yllättävä löytö veden käyttäytymisestä yhdessä maailman ohuimmista 2D-materiaaleista voi johtaa merkittäviin teknologisiin parannuksiin, paremmista jäänestopinnoitteista lentokoneisiin ja itsepuhdistuviin aurinkopaneeleihin sekä seuraavan sukupolven voiteluaineisiin ja energiamateriaaleihin.

Surreyn yliopiston ja Grazin teknillisen yliopiston tutkijat testasivat kahta erittäin ohutta, levymäistä hunajakennorakenteista materiaalia – grafeenia ja kuusikulmaista boorinitridiä (h-BN).

Vaikka grafeeni on sähköä johtavaa mutta h-BN, jota usein kutsutaan "valkoiseksi grafiitiksi", on erittäin suorituskykyinen keraaminen materiaali ja sähköinen eriste.

Tutkijat havaitsivat, että tämä hienovarainen ero muuttaa täysin veden vuorovaikutusta pintojen kanssa. Sen sijaan, että h-BN:n yksittäiset vesimolekyylit hyppisivät kiinteiden pisteiden välillä kuten grafeenilla, ne liikkuvat tasaisesti pyörivässä liikkeessä – melkein kuin se kävelisi pintojen poikki.

Tämä odottamaton käyttäytyminen osoittaa, kuinka pienimmätkin vaihtelut materiaalin atomirakenteessa voivat muuttaa dramaattisesti veden liikkumista nanoskaalassa, tarjoten tutkijoille uusia näkemyksiä kitkaa, kostumista ja jään muodostumista hallitsevien pintojen suunnitteluun.

Meillä on tapana ajatella vettä yksinkertaisena, mutta molekyylitasolla se käyttäytyy merkillisillä tavoilla. Molekyyli on melkein kuin kävelisi hyppimisen sijaan. Tämä jatkuva, pyörivä liike oli täysin odottamatonta.

”Työmme osoittaa, että pinnan pienimmätkin yksityiskohdat voivat muuttaa veden liikettä – mikä voisi auttaa meitä suunnittelemaan parempia pinnoitteita, antureita ja laitteita,” toteaa Tohtori Marco Sacchi.

Nämä löydökset voisivat mullistaa nanomittakaavassa veden käsittelyyn perustuvia teknologioita – edistyneistä pinnoitteista ja voiteluaineista suolanpoistokalvoihin.

Jonathan Boreyko, Virginia Techin konetekniikan apulaisprofessori, ja hänen tutkimusryhmänsä ovat puolestaan saattaneet löytää uuden ja parannetun menetelmän jäänpoistoon. Hänen filosofiansa on torjua jäätä hyödyntämällä sen omaa fysiikkaa lämmön tai kemikaalien sijaan, luoden siten kustannustehokkaampia ja ympäristöystävällisempiä huurteen poistomenetelmiä.

Heidän aiemmassa työssään he hyödynsivät huurteen luonnostaan esiintyvää pientä jännitettä lähellä olevan vesikalvon polarisoimiseksi, mikä loi sähkökentän, joka voisi irrottaa mikroskooppisia jääkiteitä.

Tuloksena on uusi menetelmä, jonka tiimi on nimennyt "sähköstaattiseksi sulatukseksi" (EDF).

Erilaisilla jännitteillä ja alustoilla kokeillessaan tutkijat saivat 75 prosenttia huurteesta irtoamaan. Tutkimus jatkuu kohti lopullista tavoitetta, joka on 100-prosenttinen jäänpoisto.

Aiheista aiemmin:

Nestemäisen veden kahdet kasvot

Elektronit vedessä ja särkyneinä

Jää on vikasietoista

Jään ilmiöt auttavat selittämään salamoinnin alkuperän