يساعد ريش البطريق على إلهام تقنيات جديدة لإزالة الجليد

يأتي السير على طريق خلال فصل الشتاء الأبيض مصحوبًا بمجموعة من التحديات الخاصة به: البرد القارس ، والدوران حول الجليد الزلق على الطرق ، والحاجة إلى تبديل الأرصفة لتجنب رقاقات جليدية حادة يمكن أن تسقط من فوق.

هذا الجليد المتراكم على الأسطح ومزاريب المطر المتدلية ليس مجرد مصدر إزعاج وخطر ، ولكنه يتطلب أيضًا جهودًا هائلة لإزالته. تعتمد تقنيات إزالة الجليد القياسية على الإجراءات الميكانيكية أو الحرارية أو الكيميائية.

تتم إزالة الجليد الموجود على لافتات الطرق وأبراج النقل الكهربائي والكابلات عن طريق ضرب ألواح الجليد لإحداث اهتزازات في الجسم أو عن طريق ثني الهيكل.

يتم رش الطائرات بسوائل إزالة الجليد التي تذوب كيميائيًا وتمنع تكون الجليد قبل الإقلاع. ومثل الأرصفة الساخنة ، يتم تسخين أجنحة الطائرات عادةً أثناء الطيران لإذابة الجليد الذي يمكن أن يتشكل على حوافها الأمامية.

في حين أن كل هذه الأساليب المضادة للجليد ضرورية لتجنب الفشل والحوادث القاتلة للبنية التحتية ، فإن هذه التقنيات غير مستدامة لأنها تتطلب كميات هائلة من الطاقة والمواد الكيميائية الضارة. على مدى العقود القليلة الماضية ، حاول الباحثون تطوير تقنية سلبية مضادة للتجمد – سطح لا يسمح بتكوين الجليد عليه أو يتطلب القليل من الجهد لإزاحة أي قطع صغيرة غير مهمة من الجليد فعلت ذلك.

نظر فريقنا من الباحثين في مختبر الهندسة السطحية الحيوية بجامعة ماكجيل في الطبيعة لهذه الحلول. تتخذ الطبيعة نهجًا مختلفًا لحل مشاكل سطحها الجليدي. عبر آلاف السنين ، تكيفت الأنواع لتمتلك مجموعة من الوظائف السطحية التي لا تتطلب كيمياء قاسية أو كميات هائلة من مدخلات الطاقة. لقد وجدنا الحل لتحديات إزالة الجليد في ريش طيور البطريق المحببة المتذبذبة.

القراءة بين الريش

عندما شرعنا في تطوير سطح مضاد للتجمد سلبيًا في الشتاء الماضي ، فكرنا في كيف لم يتم تصوير طيور البطريق مطلقًا بقشرة جليدية كبيرة على ريشها ، على الرغم من العيش في بيئات شديدة البرودة ، والسباحة والصيد في المياه المتجمدة والوقوف في المرتفعات. رياح.

اتصلنا بـ Montréal Biodome – الذي يعرض أنظمة بيئية مختلفة – وقمنا بزيارة معرض شبه القارة القطبية الجنوبية مع طيور البطريق Gentoo. كما أعطونا جرة مليئة بريش جينتو.

درسنا البنية المجهرية وسلوك الترطيب للريش الفردي وأعدنا أيضًا تجميعها في حصيرة من الريش لدراسة ما إذا كانت تجتذب الجليد أم لا. يميز سلوك البلل سلوك قطرات الماء على السطح. بشكل أساسي ، يتحقق ما إذا كانت القطرات تتدحرج مثل كرات كرة القدم الصغيرة أو تنتشر في بركة أو ما إذا كانت النتيجة شيء بينهما.

أظهر تحليلنا أن ريش البطريق له خصائص تساقط الماء وتساقط الجليد. لا يبدو أن زيت التحضير الذي يستخدمه الطائر عندما يعتني بنفسه يلعب دورًا في تساقط الجليد. قادنا هذا إلى الشك في أن هذه التأثيرات تأتي من بنية ريشه ، مما يعني أن بنية ريش البطريق يمكن أن توفر نهجًا مختلفًا جذريًا لإنشاء تصميمات سطحية بخصائص سلبية مضادة للتجمد.

ألهمتنا الميزات التفصيلية لكل ريشة فردية ودور الهامولي – جزء من الريش الذي يربط الريش الفردي معًا في حصيرة – لتكرار هذه الشبكة الطبيعية الشبيهة بالأسلاك لهيكل باستخدام المنسوجات المنسوجة.

من أجل تقليد البنية المجهرية لريش البطريق الذي لاحظناه ، اخترنا أقمشة من الفولاذ المقاوم للصدأ بأقطار سلكية وأحجام مسام مماثلة لتلك الموجودة في الريش. استخدمنا أيضًا معدات المعالجة بالليزر فائقة السرعة الخاصة بنا لمطابقة الأخاديد الطولية ذات الحجم النانوي التي تظهر على الأشواك والأسيلات في هيكل ريشة البطريق.

عمل أسطح طاردة للماء والثلج

وجد بحثنا أنه في حين أن السطح المقاوم للماء هو مطلب محدد لشبكة القماش المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لإلقاء الماء ، فإن هذا المطلب يصبح أقل أهمية مع انخفاض درجة الحرارة.

وذلك لأن الماء يخترق فعليًا مسام الشبكة الفارغة سابقًا ويتجمد ببطء مع انخفاض درجات الحرارة ، مما يؤدي إلى حدوث تشققات في سطح الجليد. هذا يعني أن السطح يمكنه بسهولة صد الماء والجليد في درجات حرارة التجمد.

هذا على عكس غالبية الأسطح المقاومة للماء التي تحاكي احتباس الهواء كما يظهر في أوراق اللوتس (تأثير اللوتس) ، حيث يؤدي اختراق الماء غالبًا إلى تقوية التصاق الجليد.

أظهرت أسطحنا الشبكية المحاكية الحيوية – التي تحاكي ريش البطريق بنسيج منسوج من الفولاذ المقاوم للصدأ – انخفاضًا بنسبة 95 في المائة في قوة الالتصاق بالجليد مقارنة بالفولاذ المصقول غير القابل للصدأ المتآلف الأملس.

يمكن أن يُعزى هذا الأداء الجيد للغاية في فصل الجليد إلى شكل مسام البنية المجهرية ، والتي تكون فتحاتها أصغر من المساحة الفارغة الفعلية داخل المسام.

يتم إغلاق فتحات المسام هذه أولاً عن طريق نمو الجليد ، والذي يحبس الماء السائل بداخله. يتجمد هذا الماء المغلق ببطء مقارنة بالماء في الخارج. عندما يتجمد ، يمكن أن يتوسع بنحو تسعة في المائة في مساحته الضيقة ، مما يؤدي في النهاية إلى حدوث شقوق على طول كل مسام من القماش السلكي. تساعد هذه الشقوق في تراكم أي جليد حتى يتساقط بسهولة.

استراتيجية لإزالة الجليد من أجل المستقبل

بينما تتناول دراستنا مشكلة تراكم الجليد من منظور مختلف عن جميع الدراسات السابقة ، فإنها توفر حلولًا جديدة محتملة لإزالة الجليد لمشكلة تؤثر على حياتنا كل شتاء.

من الواضح أننا بحاجة إلى مزيد من التحقيقات والتطورات قبل أن تعتمد البنية التحتية الحيوية مثل الطائرات أو خطوط الكهرباء فقط على حلول إزالة الجليد السلبية مثل هذه.

ومع ذلك ، يمكننا تنفيذها جنبًا إلى جنب مع أنظمة التدفئة النشطة التقليدية للتطبيقات الأقل أهمية مثل لافتات الشوارع في المستقبل المنظور. سيسمح لنا ذلك بالتحقيق في الاستقرار طويل المدى لهذه الأسطح المنسوجة ، وتكاليف تركيبها وصيانتها ، وما إذا كان ذلك يحد من الطاقة والمتطلبات الكيميائية لتقنيات إزالة الجليد الحالية أم لا.