Permukaan yang dioptimalkan sepenuhnya mencegah pembentukan embun beku di area datar hingga satu minggu.
Suatu hari, kita mungkin akhirnya mengucapkan selamat tinggal pada pencairan es di freezer atau menghilangkan embun beku dari permukaan yang licin. Insinyur di Universitas Barat Laut telah mengembangkan strategi baru untuk mencegah pembentukan embun beku bahkan sebelum terjadinya.
Dalam sebuah studi baru, para peneliti menemukan bahwa mengubah tekstur permukaan apa pun dan menambahkan lapisan tipis graphene oksida mencegah 100% embun beku terbentuk di permukaan selama satu minggu atau bahkan lebih lama lagi. Ini 1.000 kali lebih lama dibandingkan permukaan anti-beku yang canggih saat ini.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Sebagai bonus tambahan, desain permukaan baru yang dapat diskalakan juga tahan terhadap retak, goresan, dan kontaminasi.
Dengan menggabungkan permukaan bertekstur ke dalam infrastruktur, para peneliti membayangkan perusahaan dan lembaga pemerintah dapat menghemat miliaran dolar per tahun untuk menghindari biaya pemeliharaan dan inefisiensi energi.
Penelitian tersebut baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
“Akumulasi embun beku yang tidak diinginkan merupakan kekhawatiran utama di sektor industri, perumahan, dan pemerintahan,” kata Kyoo-Chul Kenneth Park di Northwestern, yang memimpin penelitian tersebut. “Misalnya, krisis listrik tahun 2021 di Texas menyebabkan kerugian sebesar $195 miliar, yang diakibatkan langsung oleh embun beku, es, dan kondisi dingin ekstrem selama lebih dari 160 jam. Oleh karena itu, penting untuk mengembangkan teknik anti-frosting yang dapat bertahan dalam jangka waktu lama dalam kondisi lingkungan ekstrem. Penting juga untuk mengembangkan metode anti-frosting yang mudah dibuat dan diterapkan. Kami merancang teknik anti-frosting hibrid kami dengan mempertimbangkan semua kebutuhan ini. Ini dapat mencegah pembekuan selama berminggu-minggu dan dapat diskalakan, tahan lama, dan mudah dibuat melalui pencetakan 3D.”
Park adalah asisten profesor teknik mesin di Sekolah Teknik McCormick Northwestern dan afiliasi fakultas dari Institut Keberlanjutan dan Energi Paula M. Trienens dan Institut Internasional untuk Nanoteknologi.
Penemuan yang terinspirasi dari daun
Studi baru ini merupakan pengembangan dari penelitian sebelumnya di laboratorium Park. Pada tahun 2020, Park dan timnya menemukan bahwa menambahkan tekstur berskala milimeter ke permukaan secara teoritis mengurangi pembentukan embun beku hingga 80%. Diterbitkan dalam Proceedings of the National Academy of Sciences, penelitian ini terinspirasi oleh geometri daun yang beriak.
“Ada lebih banyak pembentukan embun beku di bagian daun yang cembung,” kata Park saat itu. “Di daerah cekung (pembuluh darah), kita melihat lebih sedikit embun beku. Orang-orang telah memperhatikan hal ini selama beberapa ribu tahun. Hebatnya, tidak ada penjelasan bagaimana pola-pola ini terbentuk. Kami menemukan bahwa geometri – bukan material – yang mengendalikan hal ini.”
Melalui kerja eksperimental dan simulasi komputasi, Park dan kolaboratornya menemukan bahwa kondensasi meningkat di puncak dan ditekan di lembah permukaan bergelombang. Sejumlah kecil air yang terkondensasi di lembah kemudian menguap, menghasilkan kawasan bebas embun beku.
Kekuatan menjebak grafena-oksida
Dalam studi sebelumnya, tim Park mengembangkan permukaan yang menampilkan puncak dan lembah berskala milimeter dengan sudut kecil di antaranya. Dalam studi baru, tim Park menambahkan graphene oksida di lembah datar, yang mengurangi pembentukan embun beku sebesar 100% di lembah tersebut. Permukaan baru terdiri dari benjolan-benjolan kecil, dengan jarak puncak ke puncak 5 milimeter. Kemudian lapisan tipis oksida graphene, yang tebalnya hanya 600 mikron, melapisi lembah di antara puncak.
“Grafena oksida menarik uap air dan kemudian membatasi molekul air di dalam strukturnya,” kata Park. “Jadi, lapisan oksida graphene berfungsi seperti wadah yang mencegah pembekuan uap air. Saat kami menggabungkan graphene oksida dengan permukaan makrotekstur, permukaannya tahan terhadap embun beku untuk waktu yang lama pada supersaturasi tinggi. Permukaan hibrida menjadi zona yang stabil, tahan lama, dan bebas embun beku.”
Jika dibandingkan dengan permukaan anti-beku canggih lainnya, metode Park jelas merupakan pemenangnya. Meskipun permukaan superhidrofobik (menolak air) dan permukaan yang mengandung pelumas menahan 5-36% pembentukan embun beku hingga 5 jam, permukaan Park menahan 100% pembentukan embun beku selama 160 jam.
“Sebagian besar permukaan anti-beku lainnya rentan terhadap kerusakan akibat goresan atau kontaminasi, sehingga menurunkan kinerja permukaan seiring waktu,” kata Park. “Tetapi mekanisme anti-frosting kami menunjukkan ketahanan terhadap goresan, retakan, dan kontaminan, sehingga memperpanjang umur permukaan.”
Mengapa itu penting
Permukaan makrotekstur-grafena oksida hibrida ini menawarkan solusi menjanjikan untuk mencegah pembentukan embun beku dalam berbagai aplikasi. Kebanyakan orang hanya khawatir tentang embun beku ketika embun beku melapisi kaca depan mobil atau mematikan tanaman di luar ruangan. Tapi embun beku lebih dari sekedar gangguan.
Embun beku pada sayap pesawat dapat menimbulkan hambatan, sehingga penerbangan menjadi berbahaya atau bahkan tidak mungkin dilakukan. Ketika terakumulasi di dalam freezer dan lemari es, embun beku sangat mengurangi efisiensi energi pada peralatan. Embun beku dapat menambah terlalu banyak beban pada saluran listrik, menyebabkan kerusakan dan, pada akhirnya, pemadaman listrik. Hal ini juga dapat merusak sensor pada kendaraan, sehingga mengganggu kemampuannya dalam mendeteksi objek secara akurat.
“Mengembangkan teknik anti-frosting baru sangat penting untuk mencegah kegagalan mekanis yang merugikan, inefisiensi energi, dan bahaya keselamatan pada operasi penting,” kata Park. “Saat ini tidak ada pendekatan 'satu ukuran untuk semua' karena setiap aplikasi memiliki kebutuhan spesifik. Meskipun pesawat terbang hanya memerlukan ketahanan beku selama beberapa detik, saluran listrik yang beroperasi di lingkungan dingin mungkin memerlukan ketahanan terhadap embun beku selama berhari-hari atau berminggu-minggu, misalnya. Dengan wawasan baru kami, kami dapat merancang saluran listrik dan sayap pesawat dengan daya rekat es yang lebih sedikit. Perubahan seperti ini akan sangat mengurangi biaya pemeliharaan tahunan.”
Referensi: “Kontrol difusi hibrida yang kuat untuk pencegahan embun beku skalabel jangka panjang” oleh Christian Machado, Benjamin Stern, Haiyue Huang, Asma Ul Hosna Meem, Jiaxing Huang dan Kyoo-Chul Kenneth Park, 30 Oktober 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adq8525
Penelitian ini sebagian didukung oleh National Science Foundation (nomor hibah CBET-2337118) dan Institut Sains dan Teknologi Korea (nomor hibah 2E32527).
RakyatPos.ID Network
