Khoa học tự nhiên

Bề mặt mô phỏng chiếc lá chống lại sự hình thành băng giá (25/11/2024)

Các kỹ sư tại Đại học Northwestern đã phát triển thành công chiến lược mới giúp ngăn chặn sự hình thành của băng giá.

Cụ thể, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra rằng việc điều chỉnh kết cấu của bất kỳ bề mặt nào và bổ sung một lớp oxit graphene mỏng có thể ngăn chặn hoàn toàn băng giá hình thành trên bề mặt trong một tuần hoặc thậm chí lâu hơn. Thời gian này dài hơn 1.000 lần so với các bề mặt chống đóng băng tiên tiến nhất hiện nay. Hơn nữa, thiết kế bền mặt có thể được mở rộng, chống nứt, trầy xước và nhiễm bẩn.

Các nhà khoa học cho rằng khi bề mặt mới chống băng giá được kết hợp vào cơ sở hạ tầng, sẽ giúp các công ty và cơ quan chính phủ tiết kiệm hàng tỷ đô la mỗi năm nhờ loại bỏ chi phí bảo trì và tình trạng sử dụng năng lượng thiếu hiệu quả. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Science Advances.

Kyoo-Chul Kenneth Park, trưởng nhóm nghiên cứu cho rằng: "Sự tích tụ băng giá không mong muốn là mối quan tâm lớn của ngành công nghiệp, người dân và chính phủ. Ví dụ, cuộc khủng hoảng điện năm 2021 ở bang Texas đã gây thiệt hại 195 USD, do ảnh hưởng trực tiếp của băng giá và điều kiện thời tiết cực lạnh kéo dài trong hơn 160 giờ. Do đó, cần phát triển các kỹ thuật chống đóng băng với khả năng chống chịu dài trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Ngoài ra, các phương pháp chống đóng băng phải dễ đưa ra và áp dụng. Kỹ thuật chống đóng băng mới của chúng tôi đáp ứng tất cả các yêu cầu này: ngăn ngừa đóng băng trong nhiều tuần và có khả năng mở rộng, lâu bền và dễ phát triển nhờ công nghệ in 3D".

Khám phá lấy cảm hứng từ chiếc lá

Nghiên cứu mới dựa trên công trình trước đây của chính các tác giả nghiên cứu. Năm 2020, nhóm nghiên cứu của ông Park đã phát hiện ra rằng việc bổ sung các kết cấu có kích thước milimét lên bề mặt, về mặt lý thuyết có thể làm giảm tới 80% sự hình thành băng giá. Nghiên cứu mới lấy cảm hứng từ hình dạng gợn sóng của chiếc lá.

Ông Park cho rằng: "Băng giá hình thành nhiều trên vùng lồi của lá. Trên các vùng lõm (gân lá), chúng ta quan sát thấy ít băng giá hơn nhiều. Mọi người đã nhận thấy điều đó trong hàng nghìn năm nhưng chưa giải thích được về cách các hoa văn này hình thành. Chúng tôi nhận thấy thấy rằng chính hình dạng, mà không phải vật liệu, mới là yếu tố kiểm soát sự hình thành băng giá".

Thông qua nghiên cứu thử nghiệm và mô phỏng tính toán, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra sự ngưng tụ được tăng cường tại các phần gồ lên và bị ức chế ở phần lõm xuống của bề mặt gợn sóng. Sau đó, một lượng nước nhỏ ngưng tụ ở phần lõm, sẽ bốc hơi, tạo thành khu vực không đóng băng.

Sức mạnh của bẫy graphene-oxide

Trong nghiên cứu trước đây, nhóm của ông Park đã tạo ra một bề mặt với các phần lồi và phần lõm có kích thước milimét, ở giữa là các góc nhỏ. Trong nghiên cứu mới, họ đã bổ sung graphene oxide vào phần lõm phẳng, giúp loại bỏ hoàn toàn sự hình thành bằng giá ở đó. Bề mặt mới bao gồm các gờ nhỏ với khoảng cách giữa các phần gồ lên là 5mm. Sau đó, một lớp graphene oxide mỏng, chỉ dày 600 micron, được phủ lên các phần lõm nằm giữa các phần gồ lên.

Với các bề mặt chống đóng băng hiện đại nhất hiện nay, khả năng chống băng giá chỉ đạt tỷ lệ khoảng 5-36% trong tối đa 5 giờ, nhưng bề mặt mới chống lại hoàn toàn sự hình thành băng giá trong 160 giờ. Ngoài ra, hầu hết các bề mặt chống băng giá khác đều dễ bị hư hỏng do trầy xước hoặc nhiễm bẩn, làm giảm hiệu suất bề mặt theo thời gian. Tuy nhiên, cơ chế chống đóng băng mới được chứng minh có khả năng chống trầy xước, nứt và nhiễm bẩn, kéo dài tuổi thọ của bề mặt.

Ứng dụng của bề mặt chống băng giá

Bề mặt có kết cấu vĩ mô dựa vào graphene oxide cung cấp giải pháp triển vọng để ngăn ngừa sự hình thành băng giá trong nhiều ứng dụng. Hầu hết mọi người chỉ lo lắng về băng giá khi nó phủ lên kính chắn gió ô tô hoặc làm chết cây họ trồng ngoài trời. Tuy nhiên, băng giá còn hơn cả sự phiền toái.

Băng giá trên cánh máy bay có thể tạo ra lực cản, khiến các chuyến bay trở nên nguy hiểm hoặc thậm chí là không thể thực hiện. Khi băng giá tích tụ bên trong tủ đông và tủ lạnh, sẽ làm giảm đáng kể hiệu quả sử dụng năng lượng của các thiết bị. Băng giá có thể làm tăng quá nhiều trọng lượng đường dây điện, dẫn đến gãy đổ và cuối cùng là mất điện. Băng giá cũng có thể làm hỏng các cảm biến trên xe, gây hại cho khả năng phát hiện chính xác các vật thể trên đường.

Việc phát triển các kỹ thuật chống đóng băng mới rất quan trọng để ngăn ngừa sự cố  hỏng hóc cơ học tốn kém chi phí, sử dụng năng lượng thiếu hiệu quả và nguy cơ mất an toàn trong các hoạt động quan trọng./.

N.P.D (NASATI), theo Technologynetworks, 11/2024

Ngày cập nhật: 12/11/2024

https://www.vista.gov.vn/vi/news/khoa-hoc-tu-nhien/be-mat-mo-phong-chiec-la-chong-lai-su-hinh-thanh-bang-gia-10168.html