Adieu le gel grâce au graphène !

Un jour, les gens pourront enfin dire adieu au dégivrage du congélateur ou au grattage du givre sur les surfaces glissantes. Des ingénieurs de l'Université Northwestern ont mis au point une nouvelle stratégie qui empêche la formation de givre avant qu'elle ne commence.

Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont découvert que le fait de modifier la texture de n’importe quelle surface et d’y ajouter une fine couche d’oxyde de graphène empêche la formation de givre à 100 % sur les surfaces pendant une semaine, voire plus longtemps. C’est 1 000 fois plus longtemps que les surfaces antigel actuelles, à la pointe de la technologie.

En prime, la nouvelle conception de surface évolutive est également résistante aux fissures, aux rayures et à la contamination.

En incorporant la surface texturée dans les infrastructures, les chercheurs imaginent que les entreprises et les agences gouvernementales pourraient économiser des milliards de dollars par an en coûts de maintenance évités et en inefficacités énergétiques.

La recherche a été publiée dans la revue Science Advances .

« L’accumulation indésirable de givre est une préoccupation majeure dans les secteurs industriel, résidentiel et gouvernemental », a déclaré Kyoo-Chul Kenneth Park , de Northwestern , qui a dirigé l’étude. « Par exemple, la crise énergétique de 2021 au Texas a coûté 195 milliards de dollars de dommages, résultant directement du gel, de la glace et des conditions de froid extrême pendant plus de 160 heures. Il est donc essentiel de développer des techniques antigel, qui soient robustes pendant de longues périodes dans des conditions environnementales extrêmes. »

« Il est également nécessaire de développer des méthodes antigel faciles à fabriquer et à mettre en œuvre », a-t-il déclaré. « Nous avons conçu notre technique antigel hybride en tenant compte de tous ces besoins. Elle peut empêcher le givrage pendant des semaines et est évolutive, durable et facile à fabriquer grâce à l'impression 3D. »

Kyoo-Chul Kenneth Park est professeur adjoint de génie mécanique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et membre du corps professoral de l' Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l'énergie et de l' Institut international de nanotechnologie .

Découverte inspirée des feuilles

Cette nouvelle étude s'appuie sur des travaux antérieurs du laboratoire de Kyoo-Chul Kenneth Park . En 2020, Kyoo-Chul Kenneth Park et son équipe ont découvert que l'ajout de textures à l'échelle millimétrique à une surface réduisait théoriquement la formation de givre jusqu'à 80 %. Publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, la recherche s'inspire de la géométrie ondulante des feuilles.

« Il y a plus de givre dans les régions convexes d’une feuille », précise Kyoo-Chul Kenneth Park à l’époque. « Dans les régions concaves (les nervures), on voit beaucoup moins de givre. Les gens ont remarqué cela depuis plusieurs milliers d’années. Étonnamment, il n’y avait aucune explication sur la façon dont ces motifs se forment. Nous avons découvert que c’est la géométrie, et non le matériau, qui contrôle cela. »

Grâce à des travaux expérimentaux et à des simulations informatiques, Kyoo-Chul Kenneth Park et ses collaborateurs ont découvert que la condensation est renforcée sur les sommets et supprimée dans les vallées des surfaces ondulées. La petite quantité d'eau condensée dans les vallées s'évapore ensuite, ce qui crée une zone sans gel.

 Pouvoir de piégeage de l'oxyde de graphène

Dans l'étude précédente, l'équipe de Kyoo-Chul Kenneth Park avait développé une surface présentant des pics et des vallées de l'ordre du millimètre, séparés par de petits angles. Dans la nouvelle étude, l'équipe de Kyoo-Chul Kenneth Park a ajouté de l'oxyde de graphène sur les vallées plates, ce qui a réduit de 100 % la formation de givre dans ces vallées. La nouvelle surface comprend de minuscules bosses, avec une distance de pic à pic de 5 millimètres. Ensuite, une fine couche d'oxyde de graphène, d'une épaisseur de seulement 600 microns, recouvre les vallées entre les pics.

« L’oxyde de graphène attire la vapeur d’eau et confine ensuite les molécules d’eau dans sa structure », souligne Kyoo-Chul Kenneth Park. « La couche d’oxyde de graphène agit donc comme un contenant pour empêcher la vapeur d’eau de geler. Lorsque nous avons combiné l’oxyde de graphène avec la surface macrotexturée, il a résisté au gel pendant de longues périodes à une sursaturation élevée. La surface hybride devient une zone stable, durable et sans gel. »

Comparée à d'autres surfaces antigel de pointe, la méthode de Kyoo-Chul Kenneth Park s'est révélée être la grande gagnante. Alors que les surfaces superhydrophobes (hydrofuges) et imprégnées de lubrifiant ont résisté à 5 à 36 % de la formation de givre pendant 5 heures, la surface de Kyoo-Chul Kenneth Park a résisté à 100 % de la formation de givre pendant 160 heures.

« La plupart des autres surfaces antigel sont susceptibles d’être endommagées par des rayures ou des contaminants, ce qui dégrade les performances de la surface au fil du temps », a déclaré Kyoo-Chul Kenneth Park. « Mais notre mécanisme antigel fait preuve de résistance aux rayures, aux fissures et aux contaminants, prolongeant ainsi la durée de vie de la surface. »

Pourquoi c'est important

Cette surface hybride à macrotexture et oxyde de graphène offre une solution prometteuse pour prévenir la formation de givre dans diverses applications. La plupart des gens ne s'inquiètent du givre que lorsqu'il recouvre le pare-brise de leur voiture ou détruit leurs plantes d'extérieur. Mais le gel est plus qu'une nuisance.

Le givre sur les ailes des avions peut créer une traînée, rendant les vols dangereux, voire impossibles. En s'accumulant à l'intérieur des congélateurs et des réfrigérateurs, le givre réduit considérablement l'efficacité énergétique des appareils. Le givre peut alourdir les lignes électriques, entraînant des ruptures et, à terme, des pannes de courant. Il peut également endommager les capteurs des véhicules, nuisant à leur capacité à détecter avec précision les objets.

« Le développement de nouvelles techniques antigel est essentiel pour éviter les pannes mécaniques coûteuses, les inefficacités énergétiques et les risques pour la sécurité des opérations critiques », a déclaré Kyoo-Chul Kenneth Park.

« Il n’existe pas actuellement d’approche universelle, car chaque application a des besoins spécifiques. Bien que les avions ne nécessitent que quelques secondes de résistance au gel, les lignes électriques fonctionnant dans des environnements froids peuvent nécessiter des jours ou des semaines de résistance au gel, par exemple. Grâce à nos nouvelles connaissances, nous pourrions concevoir des lignes électriques et des ailes d’avion avec une adhérence réduite de la glace. Ces types de modifications réduiraient considérablement les coûts de maintenance annuels. »

https://news.northwestern.edu/stories/2024/10/farewell-frost