Bề mặt lấy cảm hứng từ lá cây giúp ngăn sương giá

Bằng cách điều chỉnh kết cấu bề mặt, các nhà khoa học có thể giảm 60 - 80% khả năng hình thành băng và sương giá trên mọi vật liệu.

Thiết kế mới có tiềm năng ứng dụng vào thực tế, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng trong việc khử băng trên bề mặt thiết bị như cánh máy bay, làm giảm nguy cơ hoãn hoặc hủy chuyến. Nghiên cứu, do các chuyên gia từ Đại học Northwestern tiến hành, được công bố trong Kỷ yếu của Viện Hàn lâm khoa học Quốc gia Mỹ hôm 10/3.

Sương giá xuất hiện ít hơn ở gân lá (vùng lõm). (Ảnh: Phys).

"Ý tưởng xuất phát từ những chiếc lá trong tự nhiên", trưởng nhóm nghiên cứu Kyoo-Chul Park từ Đại học Northwestern chia sẻ. "Quan sát cho thấy băng và sương giá hình thành nhiều hơn ở các vùng lồi trên lá. Trong khi đó, trên các phần lõm (gân lá), sương giá xuất hiện ít hơn. Điều này là do cấu trúc hình học của lá cây chứ không nằm ở tính chất vật liệu".

Sương giá, hay , là hiện tượng hơi nước trong không khí đóng băng khi tiếp xúc với các bề mặt lạnh dưới 0°C . Nó xuất hiện phổ biến ở những vùng khí hậu lạnh vào mùa đông, gây ra không ít sự phiền toái. Hiện tượng sương giá cũng được quan sát thấy bên trong tủ lạnh hoặc tủ đông, làm giảm đáng kể hiệu suất năng lượng trên thiết bị.

Thông qua các thử nghiệm và mô phỏng hình ảnh bằng máy tính, Park và các cộng sự nhận thấy sự hình thành sương giá được tăng cường trên cách đỉnh và giảm xuống ở các rãnh (vùng lõm) trên bề mặt gợn sóng. Chỉ một lượng nước nhỏ ngưng tụ ở các rãnh này và sau đó bốc hơi, dẫn đến một số vùng không có sương giá. Ngay cả khi sử dụng vật liệu có bề mặt hút nước, nước vẫn bốc hơi các vùng lõm ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng.

Park đã sử dụng thông tin này để tìm ra kết cấu bề mặt giúp ngăn chặn sự hình thành sương giá tốt nhất. Theo đó, một bề mặt gợn sóng với một loạt các đỉnh và rãnh có kích thước cỡ milimet sẽ giúp giảm 60 - 80% sự hình thành sương giá.

"Do sương giá chỉ xuất hiện trên các đỉnh của bề mặt gợn sóng, nó giúp giảm thời gian và tiết kiệm năng lượng trong việc khử băng. Tất cả những gì chúng ta cần làm bây giờ là cung cấp các hướng dẫn để thiết kế bề mặt gợn sóng này", Park cho biết.