lodofobia

Lodofobia (od lodu i greckiego φόβος phobos „strach”) to zdolność stałej powierzchni do odpychania lodu lub zapobiegania tworzeniu się lodu ze względu na pewną topograficzną strukturę powierzchni. Słowo „lodofobia” zostało użyte po raz pierwszy co najmniej w 1950 roku; jednak postęp w dziedzinie powierzchni z mikrowzorami spowodował wzrost zainteresowania lodofobią od 2000 roku.

Lodofobowość a hydrofobowość

Termin „lodofobowość” jest podobny do terminu „ hydrofobowość ” i inne „-fobiczności” w chemii fizycznej ( oleofobowość , lipofobowość , wszechfobowość, amfifobowość itp.). Lodofobowość różni się od odladzania i zapobiegania oblodzeniu tym, że powierzchnie lodofobowe, w przeciwieństwie do powierzchni przeciwoblodzeniowych, nie wymagają specjalnej obróbki ani powłok chemicznych zapobiegających tworzeniu się lodu,

Istnieje dalszy paralelizm między hydrofobowością a lodofobowością. Hydrofobowość jest kluczowa dla „ efektu hydrofobowego ” i oddziaływań hydrofobowych . W przypadku dwóch cząsteczek hydrofobowych (np. węglowodorów) umieszczonych w wodzie istnieje efektywna siła hydrofobowa odpychająca, pochodzenia entropicznego, w wyniku ich interakcji z ośrodkiem wodnym. Efekt hydrofobowy odpowiada za fałdowanie białek i innych makrocząsteczek, co prowadzi do ich fraktalnego kształtu. Podczas kryształków lodu ( płatek śniegu ), synchronizacja wzrostu rozgałęzień następuje w wyniku oddziaływania z ośrodkiem (parą przesyconą) – jest nieco podobna do efektu hydrofobowego – pozornego odpychania cząstek hydrofobowych w wyniku ich oddziaływania z ośrodkiem (wodą). W konsekwencji, mimo że kształty płatków śniegu są bardzo zróżnicowane i „nie ma dwóch płatków podobnych do siebie”, większość kryształków śniegu jest symetryczna, a każda z sześciu gałęzi jest prawie identyczna z pozostałymi pięcioma gałęziami. Co więcej, zarówno hydrofobowość, jak i lodofobowość mogą prowadzić do dość złożonych zjawisk, takich jak samoorganizująca się krytyczność -złożoność napędzana w wyniku oddziaływań hydrofobowych (podczas zwilżania szorstkich/niejednorodnych powierzchni lub podczas fałdowania i zapętlania łańcucha polipeptydowego) lub krystalizacji lodu (fraktalne płatki śniegu).

Należy zauważyć, że termodynamicznie zarówno oddziaływania hydrofobowe, jak i tworzenie lodu są napędzane przez minimalizację powierzchniowej energii Gibbsa ΔG = ΔH - TΔS, gdzie H, T i S to odpowiednio entalpia , temperatura i entropia . Dzieje się tak dlatego, że w oddziaływaniach hydrofobowych duża dodatnia wartość TΔS przeważa nad małą dodatnią wartością ΔH, co sprawia, że ​​spontaniczne oddziaływanie hydrofobowe jest opłacalne energetycznie. Tak zwane przejście chropowatości powierzchni reguluje kierunek kryształków lodu wzrost i zachodzi w temperaturze krytycznej, powyżej której wkład entropiczny w energię Gibbsa, TΔS, przeważa nad wkładem entalpicznym, ΔH, co czyni bardziej opłacalnym energetycznie, aby kryształ lodu był szorstki, a nie gładki. Sugeruje to, że termodynamicznie zarówno zachowania lodofobowe, jak i hydrofobowe można postrzegać jako efekty entropiczne.

Jednak lodofobowość różni się od hydrofobowości . Hydrofobowość jest właściwością, którą charakteryzuje kąt zwilżania wodą (CA) i energie międzyfazowe międzyfazowych faz ciało stałe-woda, ciało stałe-para i para wodna, a zatem jest to właściwość termodynamiczna zwykle określana ilościowo jako CA>90 stopni. Inną różnicą jest to, że hydrofobowość w naturalny sposób przeciwstawia się hydrofilowości . Nie ma takiego przeciwieństwa dla lodofobowości, którą należy zatem zdefiniować poprzez ustalenie progu ilościowego. Lodofobowość jest znacznie bardziej podobna do tego, jak superhydrofobowość jest zdefiniowana.

Ilościowa charakterystyka lodofobowości

W ostatnich publikacjach na ten temat istnieją trzy podejścia do charakteryzowania lodofobowości powierzchni. Po pierwsze, lodofobowość implikuje małą adhezji między lodem a stałą powierzchnią. W większości przypadków obliczane jest krytyczne naprężenie ścinające , chociaż można również zastosować naprężenie normalne . Chociaż do tej pory nie zaproponowano jednoznacznej ilościowej definicji lodofobowości, naukowcy scharakteryzowali powierzchnie lodofobowe jako te, które mają wytrzymałość na ścinanie (maksymalne naprężenie) mniejszą w obszarze między 150 kPa a 500 kPa, a nawet tak niską jak 15,6 kPa.

Po drugie, lodofobowość oznacza zdolność do zapobiegania tworzeniu się lodu na powierzchni. Taka zdolność charakteryzuje się tym, czy kropla przechłodzonej wody (poniżej normalnej temperatury zamarzania 0 C) zamarza na granicy faz. Proces zamrażania można scharakteryzować opóźnieniem czasowym heterogenicznego zarodkowania lodu . Mechanizmy zamarzania kropel są dość złożone i mogą zależeć od poziomu temperatury, od tego czy schładzanie kropel odbywa się od strony stałego podłoża czy od pary wodnej oraz od innych czynników.

Po trzecie, powierzchnie lodowofobowe powinny odpychać napływające małe kropelki (np. deszczu lub mgły ) w temperaturach poniżej punktu zamarzania .

Te trzy definicje sugerują, że powierzchnie lodofobowe powinny (i) zapobiegać zamarzaniu wody skraplającej się na powierzchni (ii) zapobiegać zamarzaniu wody dopływającej (iii) jeśli tworzy się lód, powinien on mieć słabą przyczepność do ciała stałego, tak aby można go było łatwo REMOVED. Właściwości przeciwoblodzeniowe mogą zależeć od takich okoliczności, jak to, czy powierzchnia ciała stałego jest zimniejsza niż powietrze/para, jak duży jest gradient temperatury i czy na powierzchni ciała stałego tworzy się cienka warstewka wody w wyniku efektu kapilarnego, rozłączenia ciśnienia itp. Właściwości mechaniczne lodu i podłoża również mają duże znaczenie, ponieważ zrzucanie lodu występuje jako pękanie, albo w trybie pękania I (normalnego), albo w trybie II (ścinanie), tak że koncentratory pęknięć są głównymi czynnikami przyczyniającymi się do zmniejszonej wytrzymałości.