Khoa học tự nhiên

Bề mặt mô phỏng lá cây ngăn ngừa hiện tượng tạo băng (13/03/2020)

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Tây Bắc Hoa Kỳ đã phát hiện ra phương thức mới để giảm đáng kể hiện tượng tạo băng trên bất kỳ bề mặt nào. Phát hiện này có thể giúp giảm nguồn năng lượng cần thiết để phá băng và giảm số chuyến bay bị hủy.

Sương giá hình thành trên các vùng lồi của lá, nhưng không phải trên các gân lõm. Ảnh: Stephan Herb

Bằng cách điều chỉnh kết cấu của mọi bề mặt vật liệu, nhóm nghiên cứu có thể giảm đến 60% sự hình thành băng giá. Cấu trúc bề mặt có kích thước milimet chứa rất nhiều các vùng lồi và lõm tối ưu hóa đã được các nhà nghiên cứu quan sát thấy trong tự nhiên. Với cấu trúc này, các nhà khoa học cũng đã chứng minh về mặt lý thuyết sự hình thành băng giá có thể giảm tới 80%.

"Ý tưởng này bắt nguồn từ việc quan sát những chiếc lá", Kyoo-Chul, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết. "Sự tạo thành băng xuất hiện nhiều trên vùng lồi của một chiếc lá. Trên các vùng lõm (gân lá), chúng ta thấy có ít băng hơn nhiều. Chúng tôi đã nhận thấy đó là hình dạng chứ không phải vật liệu chi phối hiện tượng này".

Những người sống ở vùng khí hậu lạnh quá quen thuộc với hiện tượng băng giá. Nó hình thành khi hơi không khí ẩm tiếp xúc với bề mặt ở mức dưới nhiệt độ đóng băng. Vào mùa đông, mọi người phải cạo băng khỏi xe ô tô hoặc lo ngại về việc băng giá làm chết cây trồng. Nhưng băng giá còn hơn cả sự phiền toái. Băng tạo thành trên cánh máy bay có thể gây ra lực cản, khiến chuyến bay trở nên nguy hiểm hoặc thậm chí là phải hủy chuyến. Khi băng tích tụ trong tủ đông và tủ lạnh, nó giảm đáng kể hiệu suất của thiết bị.

Tuy nhiên, băng không hình thành trên mọi thứ. Đối với các vật thể như lá cây có dạng hình học gợn sóng, hiện tượng tạo băng chỉ ở trên các vùng lồi nhưng hiếm khi ở các vùng lõm. "Mọi người đã nhận thấy điều này trong vài nghìn năm qua", Park nói. "Nhưng đáng chú ý, chưa có lời giải thích nào về cách hình thành của những mẫu này”.

Thông qua thử nghiệm và mô phỏng tính toán, nhóm nghiên cứu nhận thấy sự ngưng tụ gia tăng trên các vùng lồi và bị loại bỏ trong các vùng lõm của bề mặt gợn sóng. Một lượng nhỏ nước ngưng tụ trong các vùng lõm sau đó bốc hơi, khiến khu vực đó không tạo băng. Ngay cả khi ông Park sử dụng vật liệu có bề mặt hút nước, thì nước vẫn bốc hơi khỏi các vùng lõm khi ở dưới điểm đóng băng. Sau đó, ông đã sử dụng thông tin mới này để tìm ra kết cấu bề mặt tối ưu ngăn chặn tạo băng. Bề mặt ưu thế chứa các vùng lồi và lõm cao 1 mm với các góc nhỏ (40-60 độ) ở giữa.

Dù lớp băng mỏng vẫn hình thành trên các vùng lồi của địa hình bề mặt, nhưng nó có thể được phá băng mà chỉ mất rất ít năng lượng. Ngoài ra, cũng không cần sử dụng chất lỏng có điểm đóng băng thấp hơn hoặc lớp phủ bề mặt thấp dễ bị trầy xước.

"Khu vực không tạo băng bắt đầu quá trình phá băng", Park nói. "Vì vậy, nó sẽ làm giảm các vật liệu và năng lượng được sử dụng để giải quyết vấn đề băng giá. Tất cả những gì chúng ta phải làm là cung cấp cho người khác hướng dẫn để thiết kế các bề mặt răng cưa này".

Nguồn: N.P.D (NASATI)/www.vista.gov.vn

Cập nhật: 13/3/2020