La hielofobia (de hielo y griego φόβος phobos "miedo") es la capacidad de una superficie sólida para repeler el hielo o prevenir la formación de hielo debido a una determinada estructura topográfica de la superficie. [1] [2] [3] [4] [5] La palabra "hielofobia" se utilizó por primera vez al menos en 1950; [6] sin embargo, el progreso en superficies micropatronizadas resultó en un creciente interés hacia la hielofobia desde la década de 2000.
El término "iceofobia" es similar al término hidrofobicidad y otras "-fobicidades" en química física ( oleofobicidad , lipofobicidad , omnifobicidad, anfifobicidad, etc.). La iceofobia es diferente de la descongelación y antihielo en que las superficies iceofobias, a diferencia de las superficies antihielo, no requieren un tratamiento especial o recubrimientos químicos para prevenir la formación de hielo, [7] [8] [9] [10] [11]
Existe un paralelismo adicional entre la hidrofobicidad y la icefobicidad. La hidrofobicidad es crucial para el " efecto hidrofóbico " y las interacciones hidrofóbicas . Para dos moléculas hidrofóbicas (por ejemplo, hidrocarburos) colocadas en agua, existe una fuerza hidrofóbica repulsiva efectiva, entrópica en su origen, debido a su interacción con el medio acuoso. El efecto hidrofóbico es responsable del plegamiento de proteínas y otras macromoléculas que conducen a su forma fractal . Durante la formación de cristales de hielo ( copos de nieve ), la sincronización del crecimiento de las ramas se produce debido a la interacción con el medio (vapor sobresaturado); es algo similar al efecto hidrofóbico : la repulsión aparente de las partículas hidrofóbicas debido a su interacción con el medio (agua). En consecuencia, a pesar de que las formas de los copos de nieve son muy diversas y "no hay dos copos iguales entre sí", la mayoría de los cristales de nieve son simétricos y cada una de las seis ramas es casi idéntica a las otras cinco ramas. Además, tanto la hidrofobicidad como la icefobicidad pueden conducir a fenómenos bastante complejos, como la complejidad impulsada por la criticidad autoorganizada como resultado de interacciones hidrofóbicas (durante la humectación de superficies rugosas/heterogéneas o durante el plegamiento y el bucle de cadenas polipeptídicas) o la cristalización del hielo (copos de nieve fractales). [7]
Nótese que termodinámicamente tanto las interacciones hidrofóbicas como la formación de hielo son impulsadas por la minimización de la energía de Gibbs superficial , ΔG = ΔH − TΔS, donde H, T y S son la entalpía , la temperatura y la entropía , respectivamente. Esto se debe a que en las interacciones hidrofóbicas un valor positivo grande de TΔS prevalece sobre un valor positivo pequeño de ΔH haciendo que la interacción hidrofóbica espontánea sea energéticamente rentable. La llamada transición de rugosidad superficial gobierna la dirección del crecimiento del cristal de hielo y ocurre a la temperatura crítica, por encima de la cual la contribución entrópica a la energía de Gibbs, TΔS, prevalece sobre la contribución entálpica, ΔH, haciendo así que sea energéticamente más rentable que el cristal de hielo sea rugoso en lugar de liso. Esto sugiere que termodinámicamente tanto los comportamientos icefóbicos como los hidrofóbicos pueden verse como efectos entrópicos. [7]
Sin embargo, la icefobicidad es diferente de la hidrofobicidad . La hidrofobicidad es una propiedad que se caracteriza por el ángulo de contacto del agua (CA) y las energías interfaciales de las interfaces sólido-agua, sólido-vapor y agua-vapor y, por lo tanto, es una propiedad termodinámica que generalmente se define cuantitativamente como CA>90 grados. Otra diferencia es que la hidrofobicidad se opone a la hidrofilicidad de manera natural. No existe tal oposición para la icefobicidad, que, por lo tanto, debe definirse estableciendo un umbral cuantitativo. La icefobicidad es mucho más similar a cómo se define la superhidrofobicidad . [7]
En publicaciones recientes sobre el tema hay tres enfoques para la caracterización de la icefobicidad de la superficie. [7] En primer lugar, la icefobicidad implica una baja fuerza de adhesión entre el hielo y la superficie sólida. En la mayoría de los casos, se calcula la tensión de corte crítica, aunque también se puede utilizar la tensión normal . Si bien hasta ahora no se ha sugerido una definición cuantitativa explícita para la icefobicidad, los investigadores caracterizaron las superficies icefobicas como aquellas que tienen una resistencia al corte (tensión máxima) menor en la región entre 150 kPa y 500 kPa e incluso tan baja como 15,6 kPa. [1] [7]
En segundo lugar, la icefobicidad implica la capacidad de prevenir la formación de hielo en la superficie. Dicha capacidad se caracteriza por si una gota de agua superenfriada (por debajo de la temperatura de congelación normal de 0 °C) se congela en la interfaz. El proceso de congelación se puede caracterizar por el retraso temporal de la nucleación de hielo heterogéneo . Los mecanismos de congelación de gotas son bastante complejos y pueden depender del nivel de temperatura, de si el enfriamiento de la gota se realiza desde el lado del sustrato sólido o desde el vapor y de otros factores.
En tercer lugar, las superficies icefóbicas deberían repeler las pequeñas gotas entrantes (por ejemplo, de lluvia o niebla ) a temperaturas inferiores al punto de congelación . [12]
Estas tres definiciones implican que las superficies antihielo deben (i) evitar la congelación del agua que se condensa en la superficie (ii) evitar la congelación del agua entrante (iii) si se forma hielo, debe tener una fuerza de adhesión débil con el sólido, de modo que pueda eliminarse fácilmente. Las propiedades antihielo pueden depender de circunstancias tales como si la superficie sólida es más fría que el aire/vapor, cuán grande es el gradiente de temperatura y si una película delgada de agua tiende a formarse en la superficie sólida debido a efectos capilares, presión de desunión, etc. Las propiedades mecánicas del hielo y el sustrato también son de gran importancia ya que el desprendimiento de hielo ocurre como fractura, ya sea en el agrietamiento de Modo I (normal) o Modo II (cortante), de modo que los concentradores de grietas son los principales contribuyentes a la resistencia reducida. [4] [7]