La plupart des techniques pour empêcher la formation de givre et de glace sur les surfaces reposent fortement sur le chauffage ou sur des produits chimiques liquides qui doivent être réappliqués à plusieurs reprises car ils se lavent facilement. Même les matériaux antigivrage avancés ont des problèmes de fonctionnement dans des conditions d'humidité élevée et sous zéro, lorsque le givre et la formation de glace entrent en surmultipliée.

Maintenant, des chercheurs de l'Université de l'Illinois au Chicago College of Engineering décrivent pour la première fois plusieurs propriétés uniques de matériaux connus sous le nom de liquides à commutation de phase, ou PSL, qui sont prometteurs en tant que matériaux anti-givre de nouvelle génération. Les PSL peuvent retarder la formation de glace et de givre jusqu'à 300 fois plus longtemps que les revêtements de pointe développés dans les laboratoires. Leurs conclusions sont publiées dans la revue Matériaux avancés .

« La glace et le givre présentent des dangers pour les personnes et peuvent endommager les machines et réduire la fonctionnalité de certaines technologies, notamment celles liées à l'énergie et aux transports, nous nous sommes donc intéressés à trouver des moyens possibles de surmonter leurs effets nocifs, et les liquides à commutation de phase sont des candidats très prometteurs, " dit Sushant Anand, professeur adjoint de génie mécanique et industriel et auteur correspondant de l'article.

Les PSL sont un sous-ensemble de matériaux à changement de phase qui ont des points de fusion supérieurs au point de congélation de l'eau, qui est de 0 degré Celsius, ce qui signifie qu'ils seraient solides à une plage de températures proche de celle à laquelle l'eau gèle. Des exemples de tels matériaux comprennent le cyclohexane, cyclooctane, diméthylsulfoxyde, glycérol, et plus.

« À des températures inférieures à zéro, tous les PSL deviennent solides. Donc, un jour d'hiver, vous pourriez enduire une surface où vous ne voulez pas de glaçage avec un matériau PSL et il y resterait beaucoup plus longtemps que la plupart des liquides de dégivrage, qui demandent de fréquentes réapplications, " a déclaré Rukmava Chatterjee, doctorant à l'UIC College of Engineering et premier auteur de l'article.

Alors que les chercheurs connaissent depuis longtemps les matériaux à changement de phase, leurs propriétés anti-givrage et anti-givrage uniques n'ont pas été étudiées auparavant, Chatterjee a expliqué. Il y a des décennies, Daniel Beysens, directeur de recherche du laboratoire de physique et mécanique des milieux hétérogènes de l'Université de recherche Paris Sciences et Lettres et co-auteur de l'article, avait observé que lorsque des matériaux comme le cyclohexane étaient refroidis juste en dessous de leur point de fusion, les gouttelettes d'eau se condensant à la surface se déplaceraient de manière erratique.

"Nous avions déjà examiné ce mouvement erratique, et nous avions montré qu'il provenait de la fusion du cyclohexane induite par la chaleur dégagée dans ces matériaux lors de la condensation des gouttelettes d'eau, " dit Anand.

Dans leurs recherches actuelles, Anand et Chatterjee ont refroidi une gamme de PSL à -15 degrés Celsius, les rendant tous solides. Dans des conditions d'humidité élevée, ils ont remarqué que les PSL solidifiés fondaient directement sous et à proximité immédiate des gouttelettes d'eau se condensant sur les PSL.

"Nous nous attendions à ce que le mouvement erratique des gouttelettes s'arrête lors du refroidissement de la surface à -15C. Mais à notre grande surprise, nous avons constaté que les gouttelettes continuaient à montrer le même mouvement de saut même à très basse température, " Anand a déclaré. "Il s'avère que les PSL sont extrêmement aptes à piéger cette chaleur libérée.

« Cette qualité, combiné au fait que les gouttelettes d'eau condensées deviennent extrêmement mobiles sur ces PSL refroidis, la formation de givre est considérablement retardée. Oui, à un certain point, la glace finit par se former et c'est inévitable, mais certains des PSL que nous avons testés sont solubles dans l'eau, et cela contribue à leurs propriétés antigel et peut aider à retarder la formation de glace beaucoup plus longtemps que même les revêtements antigel avancés. »

Anand et Chatterjee ont constaté le même effet retardateur de gel avec les PSL, même lorsqu'ils étaient appliqués en couches extrêmement fines sur des objets.

"Dans notre première série d'expériences, le revêtement PSL que nous avons utilisé avait une épaisseur d'environ 3 millimètres. Mais nous les avons également testés en tant que revêtements très minces, comme un film, et j'ai toujours vu le même effet de retard de congélation, " Anand a déclaré. " Cela signifie que nous pouvons potentiellement utiliser des PSL pour revêtir des objets comme des pare-brise de voiture ou des pales de turbine sans compromettre la fonctionnalité de l'objet. "

Dans d'autres expériences, les chercheurs ont découvert que les PSL ont une large gamme de transparences optiques, peut s'auto-réparer après avoir été rayé et peut purger les contaminants liquides.

"The unique properties of PSLs, which we describe for the first time in this paper, make them excellent candidates for next-generation materials to prevent frost and ice development on surfaces, " Anand said.

Because PSLs are solids at low temperatures, he anticipates that they wouldn't need to be applied as often as liquid anti-icing agents because they would have better staying power.

"But, bien sûr, we need to conduct additional experiments to determine their limits and figure out if there are ways we can further maximize their ice/frost-repelling abilities, " il a dit.