Icephobicity (del hielo y del griego φόβος phobos "miedo") es la capacidad de una superficie sólida para repeler el hielo o prevenir la formación de hielo debido a una determinada estructura topográfica de la superficie. [1] [2] [3] [4] [5] La palabra "icephobic" se utilizó por primera vez al menos en 1950; [6] Sin embargo, el progreso en las superficies con micropatrones resultó en un creciente interés hacia la fobia al hielo desde la década de 2000.
Icephobicidad frente a hidrofobicidad
El término "icephobicity" es similar al término hidrofobicidad y otros “-phobicities” en química física ( oleofobia , lipophobicity , omniphobicity , amphiphobicity , etc.). La icephobicity es diferente de la descongelación y antihielo en que las superficies icephobic, a diferencia de las superficies antihielo, no requieren un tratamiento especial o recubrimientos químicos para prevenir la formación de hielo, [7] [8] [9] [10] [ 11]
Existe un mayor paralelismo entre la hidrofobicidad y la icephobicity. La hidrofobicidad es crucial para el " efecto hidrofóbico " y las interacciones hidrofóbicas . Para dos moléculas hidrófobas (por ejemplo, hidrocarburos) colocadas en agua, existe una fuerza hidrófoba repulsiva eficaz, entrópica en su origen, debido a su interacción con el medio acuoso. El efecto hidrofóbico es responsable del plegamiento de proteínas y otras macromoléculas que conducen a su forma fractal . Durante la formación de cristales de hielo ( copo de nieve ), la sincronización del crecimiento de las ramas se produce debido a la interacción con el medio ( vapor sobresaturado ) - es algo similar al efecto hidrofóbico - la repulsión aparente de las partículas hidrofóbicas debido a su interacción con el medio (agua ). En consecuencia, a pesar de que las formas de los copos de nieve son muy diversas y "no hay dos copos similares entre sí", la mayoría de los cristales de nieve son simétricos con cada una de las seis ramas casi idénticas a las otras cinco ramas. Además, tanto la hidrofobicidad como la icephobicity pueden conducir a fenómenos bastante complejos, como la complejidad autoorganizada impulsada por la criticidad como resultado de interacciones hidrofóbicas (durante la humectación de superficies rugosas / heterogéneas o durante el plegado y bucle de la cadena de polipéptidos) o la cristalización del hielo (copos de nieve fractales). ). [7]
Tenga en cuenta que termodinámicamente tanto las interacciones hidrofóbicas como la formación de hielo son impulsadas por la minimización de la energía de Gibbs de la superficie , ΔG = ΔH - TΔS, donde H, T y S son la entalpía , la temperatura y la entropía , respectivamente. Esto se debe a que en las interacciones hidrofóbicas prevalece un gran valor positivo de TΔS sobre un pequeño valor positivo de ΔH, lo que hace que la interacción hidrofóbica espontánea sea energéticamente rentable. La llamada transición de rugosidad de la superficie rige la dirección del crecimiento de los cristales de hielo y se produce a la temperatura crítica, por encima de la cual la contribución entrópica en la energía de Gibbs, TΔS, prevalece sobre la contribución entálpica, ΔH, lo que la hace más rentable energéticamente para el hielo. el cristal debe ser áspero en lugar de liso. Esto sugiere que termodinámicamente tanto los comportamientos isofóbicos como hidrofóbicos pueden verse como efectos entrópicos. [7]
Sin embargo, la icephobicity es diferente de la hidrofobicidad . La hidrofobicidad es una propiedad que se caracteriza por el ángulo de contacto del agua (CA) y las energías interfaciales de las interfaces sólido-agua, sólido-vapor y agua-vapor y, por lo tanto, es una propiedad termodinámica generalmente definida cuantitativamente como CA> 90 grados. Otra diferencia es que la hidrofobicidad se opone a la hidrofilicidad de forma natural. No existe tal oposición para la icephobicity, que por lo tanto debería definirse estableciendo un umbral cuantitativo. La icephobicity es mucho más similar a cómo se define la superhidrofobicidad . [7]
Caracterización cuantitativa de la icephobicity
En publicaciones recientes sobre el tema hay tres enfoques para la caracterización de la fobia a la helada superficial. [7] Primero, la fobia al hielo implica una fuerza de adhesión baja entre el hielo y la superficie sólida. En la mayoría de los casos, se calcula el esfuerzo cortante crítico , aunque también se puede utilizar el esfuerzo normal . Si bien hasta el momento no se ha sugerido una definición cuantitativa explícita para la icephobicty, los investigadores caracterizaron las superficies icephobic como aquellas que tienen la resistencia al corte (tensión máxima) menor en la región entre 150 kPa y 500 kPa e incluso tan baja como 15,6 kPa. [1] [7]
En segundo lugar, la icephobicity implica la capacidad de prevenir la formación de hielo en la superficie. Dicha capacidad se caracteriza por si una gota de agua superenfriada (por debajo de la temperatura de congelación normal de 0 C) se congela en la interfaz. El proceso de congelación se puede caracterizar por un retraso de tiempo de la nucleación heterogénea del hielo . Los mecanismos de congelación de las gotas son bastante complejos y pueden depender del nivel de temperatura, de si el enfriamiento de las gotas se realiza desde el lado del sustrato sólido o desde el vapor y por otros factores.
En tercer lugar, las superficies icephobic deben repeler las pequeñas gotas entrantes (por ejemplo, de lluvia o niebla ) a temperaturas por debajo del punto de congelación . [12]
Estas tres definiciones implican que las superficies icephobic deben (i) prevenir la congelación del agua que se condensa en la superficie (ii) prevenir la congelación del agua entrante (iii) si se forma hielo, debe tener una fuerza de adhesión débil con el sólido, para que pueda ser fácilmente remoto. Las propiedades antihielo pueden depender de circunstancias tales como si la superficie sólida es más fría que el aire / vapor, qué tan grande es el gradiente de temperatura y si una película delgada de agua tiende a formarse sobre la superficie sólida debido a los efectos capilares, presión disociada. , etc. Las propiedades mecánicas del hielo y el sustrato también son de gran importancia ya que el desprendimiento del hielo ocurre como fractura, ya sea en el modo I (normal) o en el modo II (cizallamiento), de modo que los concentradores de grietas son los principales contribuyentes a la resistencia reducida. [4] [7]
Ver también
- Lipofobicidad
- Hidrofobicidad
Referencias
- ^ a b Meuler, AJ et al. Relaciones entre la humectabilidad del agua y la adherencia del hielo. Aplicación ACS Mater. Interfaces 2010, 11, 3100–3110
- ^ Zheng, L. et al. Superhidrofobicidad excepcional e Icefobicidad de impacto a baja velocidad de películas de nanotubos de carbono funcionalizadas con acetona. Langmuir , 2011, 27, 9936–9943
- ^ Jung, S .; Dorrestijn, M .; Raps, D .; Das, A .; Megaridis, CM; y Poulikakos, D. ¿Son las superficies superhidrofóbicas las mejores para la encefobicidad ?. Langmuir , 2011, 27, 3059–3066
- ↑ a b Nosonovsky, M .; Hejazi, V. I (2012). "Por qué las superficies superhidrofóbicas no siempre son icephobic". ACS Nano . 6 (10): 8488–8913. doi : 10.1021 / nn302138r . PMID 23009385 .
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- ^ a b c d e f g Hejazi, V .; Sobolev, K .; Nosonovsky, M. I (2013). "De la superhidrofobicidad a la icephobicity: análisis de fuerzas e interacción" . Informes científicos . 3 : 2194. doi : 10.1038 / srep02194 . PMC 3709168 . PMID 23846773 .
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