La photographie montre l'une des sous-structures à motifs que Zhang et ses collègues ont utilisées dans la conception de leur revêtement anti-givre. Les sous-structures ont contribué à provoquer des macrofissures à l'interface entre la glace en surface et la surface elle-même, un processus que les chercheurs ont appelé MACI, pour initiateur de macro-crack. Crédit :NTNU Nanomechanical Lab
Les scientifiques et les ingénieurs mènent une bataille tranquille mais déterminée contre l'accumulation de glace sur les infrastructures. Une fine couche de glace sur les panneaux solaires peut faire des ravages dans leur capacité à produire de l'électricité. De fines couches de glace sur les aubes des éoliennes peuvent ralentir leur efficacité.
Et une fine couche de glace sur une ligne de transmission électrique peut être la première étape d'une accumulation dangereuse de glace. C'est exactement ce qui s'est passé au Québec en 1998, lorsqu'une accumulation de glace sur les lignes de transport et les pylônes a écrasé plus de 150 pylônes, laissant plus d'un million de personnes sans électricité et causant environ 5 milliards de dollars canadiens de dommages.
Maintenant, une équipe de recherche de l'Université norvégienne des sciences et de la technologie (NTNU) rapporte une nouvelle approche pour empêcher l'accumulation de glace en la craquant. "Nous pensons avoir trouvé une méthode très intéressante pour réduire l'adhérence de la glace qui est unique, et une percée dans la communauté antigivrage, " dit Zhiliang Zhang, professeur au département de génie des structures de NTNU et chef de l'équipe du projet de recherche SLICE qui a découvert la technique. Leur démarche vient d'être publiée dans Matière molle , une publication de la Royal Society of Chemistry.
Si vous avez déjà pris un vol en hiver, vous avez presque certainement expérimenté une approche pour empêcher la glace de coller à une surface, qui consiste à pulvériser du liquide de dégivrage sur les ailes d'un avion et d'autres parties critiques de l'avion. Le spray élimine physiquement toute glace accumulée, mais cela rend également la surface de l'avion moins susceptible d'accumuler de la neige ou de la glace (bien que seulement pour une brève période). Dans la plupart des applications industrielles, cependant, comme sur une plate-forme offshore ou un navire dans l'Arctique, ou sur des éoliennes, la pulvérisation d'antigel sur une structure n'est pas une option.
Scientifiques et ingénieurs ont ainsi créé des substances dites superhydrophobes. Cela signifie qu'ils excellent à repousser l'eau. Les substances superhydrophobes peuvent être appliquées sur les surfaces par pulvérisation ou trempage. Souvent, ils sont faits de produits chimiques fluorés qui ne sont pas particulièrement respectueux de l'environnement. Et les scientifiques ne sont pas tout à fait certains qu'une surface superhydrophobe puisse rester libre de glace, au moins pendant de longues périodes. Cela a motivé Zhang et ses collègues du NTNU Nanomechanical Lab à essayer une approche complètement différente.
Voici à quoi ressemble le revêtement anti-givre lorsqu'il est attaché à un morceau de plastique flexible. Le revêtement lui-même n'a que 30 microns d'épaisseur, ou environ la moitié de la largeur d'un cheveu humain moyen. Crédit :NTNU Nanomechanical Lab
"Notre stratégie est de vivre avec la glace, " il a dit, en le laissant se former, mais en veillant à ce que les couches de glace se fissurent loin de la surface et tombent. Dans leurs efforts pour trouver des moyens d'empêcher la glace de coller aux surfaces, des chercheurs sur la glace ont essayé de manipuler des forces physiques pour générer des fissures d'interface à l'échelle nanométrique et microscopique.
De nombreux chercheurs sur la glace ont essayé de créer des surfaces glissantes qui s'appuient sur la chimie de surface pour provoquer des fissures en affaiblissant les liaisons atomiques entre la glace et la surface. Ces substances liées à la chimie de surface sont appelées NACI, pour les initiateurs de nano-crack.
A l'échelle microscopique, les chercheurs sur la glace ont construit des microbosses dans les surfaces qu'ils veulent protéger de la glace. Ces microbosses sont appelées initiateurs de micro-fissures, ou MICI, car leur rugosité favorise les micro-fissures au contact entre la surface et la glace, et limite la capacité de la glace à adhérer à la surface traitée.
Aucun de ces mécanismes n'est parfait pour empêcher la glace de coller à une surface. Zhang et ses collègues ont testé un certain nombre de revêtements commerciaux et faits maison qui reposent sur le NACI et le MICI pour réduire la capacité de la glace à adhérer à la surface. Ils se sont progressivement rendu compte que s'ils ajoutaient une autre structure sous la surface, elles pourraient former de grandes macro-fissures à l'interface entre la surface et la glace. Ils ont appelé ce mécanisme MACI, pour initiateur de macro-crack.
Au fur et à mesure que les fissures s'agrandissent, la glace est moins susceptible de rester à la surface. De cette façon, MACI détient la clé pour éliminer l'accumulation de glace sur les surfaces, dit Zhang. Pour tester leur idée, Zhang et ses collègues ont créé des couches souterraines comportant des microtrous ou des piliers. Ensuite, ils ont fait un film mince d'une substance appelée polydiméthylsiloxane, ou PDMS, qui couvrait le trou, couches de sous-structure bosselées.
Ils ont testé plusieurs conceptions de leurs structures internes MACI. Ils ont également testé ce qui se passerait s'ils utilisaient plusieurs couches avec des trous internes. Les chercheurs ont été surpris de constater que les surfaces qui avaient les sous-structures MACI avaient des forces d'adhérence à la glace qui étaient au moins 50 pour cent plus faibles que les surfaces PDMS pures sans MACI. Une surface au design spécial MACI a donné aux chercheurs les résultats qu'ils espéraient, avec certaines des valeurs les plus basses pour l'adhérence de la glace, ou collant, jamais mesuré.
"La force d'adhérence de la glace pour les surfaces extérieures courantes en acier ou en aluminium est d'environ 600-1000 kPa, " a déclaré Zhang. " En introduisant le nouveau concept MACI dans la conception de la surface, nous avons atteint la valeur d'adhérence de la glace ultra-faible de 5,7 kPa."
Zhang et ses collègues ont plus de travail à faire pour développer leur idée, mais ils sont ravis d'avoir déchiffré le code pour empêcher l'accumulation de glace dangereuse tout en limitant les effets environnementaux indésirables. "Les techniques traditionnelles de dégivrage actif... peuvent avoir des effets néfastes majeurs sur les structures et l'environnement, ", a déclaré Zhang. "Mais les surfaces passives à très faible adhérence sur la glace évitent tous ces effets néfastes. C'est très intéressant non seulement pour la communauté scientifique, et pour les applications arctiques, mais pour les panneaux solaires, pour les lignes maritimes et de transmission. Il y a beaucoup d'applications liées à la vie de tous les jours."
