Un jour, on pourra enfin dire adieu au dégivrage du congélateur ou au grattage du givre sur les surfaces glissantes. Des ingénieurs américains 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 qu’en modifiant la texture d’une surface et en y ajoutant une fine couche d’oxyde de graphène, il était possible d’empêcher la formation de 100 % du givre sur les surfaces pendant une semaine, voire plus longtemps. Cette durée est 1 000 fois supérieure à celle des surfaces antigel actuelles, qui sont à la pointe de la technologie.
En outre, la nouvelle surface évolutive résiste aux fissures, aux rayures et à la contamination.
En intégrant la surface texturée dans les infrastructures, les chercheurs imaginent que les entreprises et les organismes publics pourraient économiser des milliards de dollars par an en évitant les coûts d’entretien et les inefficacités énergétiques.
« 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 électrique 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 mettre au point des techniques anti-gel qui soient robustes pendant de longues périodes dans des conditions environnementales extrêmes. Il est également nécessaire de développer des méthodes anti-givre faciles à fabriquer et à mettre en œuvre. Nous avons conçu notre technique hybride anti-givre en tenant compte de tous ces besoins. Elle peut empêcher la formation de givre pendant des semaines et est évolutive, durable et facile à fabriquer par impression 3D. »
Park est professeur adjoint de génie mécanique à la McCormick School of Engineering de Northwestern et membre du corps enseignant de l’Institut Paula M. Trienens pour la durabilité et l’énergie et de l’Institut international pour les nanotechnologies.
Une découverte inspirée des feuilles
La nouvelle étude s’appuie sur les travaux antérieurs du laboratoire de M. Park. En 2020, Park et son équipe ont découvert que l’ajout de textures à l’échelle du millimètre à une surface permettait théoriquement de réduire la formation de givre jusqu’à 80 %. Publiée dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, la recherche s’est inspirée de la géométrie ondulante des feuilles.
« La formation de givre est plus importante dans les régions convexes d’une feuille », a déclaré Park à l’époque. « Sur les régions concaves (les nervures), nous voyons beaucoup moins de givre. Les gens l’ont remarqué depuis plusieurs milliers d’années. Fait remarquable, il n’y avait pas d’explication à la formation de ces motifs. Nous avons découvert que c’est la géométrie – et non le matériau – qui contrôle ce phénomène ».
Grâce à des travaux expérimentaux et à des simulations informatiques, M. Park et ses collaborateurs ont constaté que la condensation est renforcée sur les crêtes et supprimée dans les vallées des surfaces ondulées. La petite quantité d’eau condensée dans les vallées s’évapore ensuite, ce qui permet d’obtenir une zone sans gel.
Pouvoir de piégeage de l’oxyde de graphène
Dans l’étude précédente, l’équipe de Park a mis au point une surface présentant des pics et des vallées à l’échelle du millimètre, avec de petits angles entre les deux.
Dans la nouvelle étude, l’équipe de Park a ajouté de l’oxyde de graphène sur les vallées plates, ce qui a réduit la formation de givre de 100 % dans ces vallées. La nouvelle surface comprend de minuscules bosses, avec une distance entre les crêtes de 5 millimètres. Une fine couche d’oxyde de graphène, d’une épaisseur de 600 microns seulement, recouvre ensuite les vallées entre les bosses.
« L’oxyde de graphène attire la vapeur d’eau et confine les molécules d’eau dans sa structure », explique M. Park. « La couche d’oxyde de graphène agit donc comme un conteneur qui empêche la vapeur d’eau de geler. Lorsque nous avons combiné l’oxyde de graphène avec la surface macrotexturée, celle-ci a résisté au gel pendant de longues périodes à une sursaturation élevée. La surface hybride devient une zone hors gel stable et durable ».
Comparée à d’autres surfaces antigel de pointe, la méthode de M. Park a remporté la palme. Alors que les surfaces superhydrophobes (qui repoussent l’eau) et les surfaces infusées de lubrifiant ont résisté à 5-36 % de la formation de givre pendant 5 heures, la surface de 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 les rayures ou la contamination, ce qui dégrade les performances de la surface au fil du temps », a déclaré M. Park. « Mais notre mécanisme anti-givre démontre sa robustesse face aux rayures, aux fissures et aux contaminants, ce qui prolonge la durée de vie de la surface ».
Pourquoi c’est important
Cette surface hybride de macrotexture et d’oxyde de graphène offre une solution prometteuse pour prévenir la formation de givre dans diverses applications. La plupart des gens ne s’inquiètent du gel que lorsqu’il recouvre le pare-brise de leur voiture ou qu’il tue leurs plantes d’extérieur. Mais le gel est plus qu’une nuisance.
Le givre sur les ailes d’un avion peut créer une traînée qui rend les vols dangereux, voire impossibles. Lorsqu’il s’accumule à l’intérieur des congélateurs et des réfrigérateurs, le givre réduit considérablement l’efficacité énergétique des appareils. Le gel peut ajouter un poids excessif aux lignes électriques, entraînant des ruptures et, en fin de compte, des coupures de courant. Il peut également altérer les capteurs des véhicules, réduisant ainsi leur capacité à détecter des objets avec précision.
« Le développement de nouvelles techniques anti-gel est essentiel pour prévenir les pannes mécaniques coûteuses, les inefficacités énergétiques et les risques pour la sécurité des opérations critiques », a conclu M. Park. « Il n’existe pas actuellement d’approche unique, car chaque application a des besoins spécifiques. Si les avions n’ont besoin que de 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 qui réduiraient l’adhérence de la glace. Ces types de modifications permettraient de réduire considérablement les coûts annuels de maintenance ».
Légende illustration : Pour mettre au point le matériau antigel, les chercheurs se sont inspirés des feuilles, dont les nervures concaves ne forment pas de givre.
L’étude, intitulée « Robust hybrid diffusion control for long-term scalable frost prevention », a été partiellement soutenue par la National Science Foundation (numéro de subvention CBET-2337118) et l’Institut coréen pour la science et la technologie (numéro de subvention 2E32527).
Source : Université de Northwestern – Traduction Enerzine.com
