Teksti ja kuvat: Henna Niemelä-Anttonen
Pintojen jäätyminen aiheuttaa mittavia kustannuksia ja vaaratilanteita ympäri maailmaa. Jään kertyminen ei ole vain pohjoisen ongelma, vaan samat ilmiöt aiheuttavat haasteita muun muassa Keski-Euroopassa, Kiinassa, Japanissa ja jopa Afrikassa. Tietyillä alueilla jäätymistä voidaan pitää olosuhteiden pakosta jatkuvana ongelmana, mutta myös yllättäviä jäämyrskyjä on raportoitu viime vuosikymmeninä. Viimeisimpänä vakavana ja myös ihmishenkiä vaatineena sään ääri-ilmiönä on raportoitu vuoden 2008 Kiinan jäämyrsky, jonka kokonaiskustannuksiksi arvioitiin yli 20 miljardia dollaria. Tällöin tuhansia rakennuksia, mastoja ja sähköpylväitä romahti jään kertymisen ja painon seurauksena.
Jäätyminen ja jään kertyminen pinnoille haastaa myös useita teollisuuden alojen toimijoita, kuten lentokoneita, laivoja, sähköverkkoja, tuuliturbiineja sekä muita rakennelmia. Aikatauluongelmat, seisokkiaikojen
lisääntyminen, huoltokustannusten kasvaminen ja turvallisuusriskit ovat osa kustannuksia aiheuttavista ongelmista, joita jää kertyessään aiheuttaa. Tavallisesti jäätä poistetaan pinnoilta mekaanisesti, lämmön tai kemikaalien avulla, kuten esimerkiksi laivojen, junien tai lentokoneiden kohdalla on tapana. Nämä ns. aktiiviset jäänpoistomenetelmät vaativat aina resurssien, kuten työvoiman tai energian käyttöä ja ovat näin ollen oma kulueränsä. Jäänpoistokemikaalien käyttö on myös ajankohtainen ympäristökysymys, sillä pelkästään keskikokoisella lentokentällä tehdään jopa 10 000 jäänpoistoa talven aikana. Vaihtoehtoisesti jää voisi poistua pinnoilta passiivisesti eli ilman aktiivista ulkopuolista voimaa. Tällainen passiivinen poistuminen on mahdollista kehittyneillä pinnoitusteknisillä ratkaisuilla, jolloin pinnan ja jään välinen vuorovaikutus mahdollistaa jään irtoamisen pinnalta vaivatta, kuten painovoiman tai ilmavirran seurauksena. Hyödyntämällä uudenlaista pintatekniikkaa voidaan luoda pintoja, joihin jää ei tartu kiinni eli jäätähylkiviä pintoja, joilla on matala jäänadheesio.
Viime vuosina materiaalitekniikan tutkimuskenttään ovat nousseet liukkaat SLIPS-pinnat, eli slippery liquid-infused porous surfaces, joilla on useissa tutkimuksissa osoitettu olevan erittäin alhainen jäänadheesio. Matalan jäänadheesion pinnoilta jää putoaa spontaanisti tai sen poistamiseen tarvittava voima on erittäin pieni verrattuna esimerkiksi teräkseen, lasiin tai jopa fluoromuoveihin. Näin ollen liukkaita ja jäätähylkiviä pintoja hyödyntämällä voidaan laskea useilta teollisuuden aloilta kustannuksia ja huoltoaikoja, mitkä johtuvat jään kertymisestä.
Tampereen yliopistolla tehtävässä väitöskirjatutkimuksessa jäätähylkivät SLIPS-pinnat perustuvat huokoisen kiinteän materiaalin ja lubrikantin muodostamaan materiaalipariin. Kiinteän huokoisen materiaalin tarkoituksena on toimia tukirakenteena, joka lukitsee nestemäisen lubrikantin itseensä. Kiinteän materiaalin toiminnallinen huokoskoko voi vaihdella 2-200 nm välillä ja on erittäin tärkeä osa SLIPS-rakennetta, sillä oikeanlainen huokoisuus pitää lubrikantin rakenteessa. Lubrikantti mahdollistaa jäänhylkivyyden, estäen jäätä tarttumasta kiinteään materiaaliin ja näin ollen koko pintaan. Erittäin lupaavia tuloksia on saatu käyttämällä esimerkiksi polypropeenista, polytetrafluorieteenistä ja polykarbonaatista tehtyjä rakenteita. Eri polymeerien ominaisuudet mahdollistavat niiden käytön erilaisissa ympäristöolosuhteissa ja myös nestemäisen lubrikantin pysyvyyden rakenteessa. Polymeerisen kiinteän materiaalin etuja ovat erityisesti keveys, laaja materiaalikirjo, monipuoliset valmistusmenetelmät sekä myös läpinäkyvyys. Lopullisen materiaaliparin ominaisuuksiin vaikuttaa myös huokosiin lisätty lubrikantti. Väitöskirjatutkimuksessa on keskitytty silikoni- ja perfluorattuihin öljyihin, mutta tutkittu myös ympäristöystävällisempiä kasviöljyjä, kuten rapsiöljyä.
Sillä pintojen on sovelluskohtaisesti toimittava aidoissa ilmastoolosuhteissa, niitä testataan simuloimalla luonnonmukaisia jäätymisolosuhteita laboratoriomittakaavan jää-tuulitunnelissa. Jää kertyy mikrometriluokan kokoisista alijäähtyneistä vesipisaroista, jotka jäätyvät osuessaan testattavaan pintaan ja muodostavat tietynlaista jäätyyppiä. Pinnan ja jään välinen adheesio mitataan sentrifugaalisella jäänadheesiotestillä, minkä avulla saadaan jäänadheesioarvo tietylle pinnalle kilopascaleina, kPa. Jäänadheesiotutkimus ja jäänhylkivyys voidaan linkittää muihin materiaaliteknisiin ominaisuuksiin, kuten pintaenergiaan, karheuteen, pintakemiaan tai hydrofobisuuteen. Jäätymistä ajatellen on eduksi, jos kumpikin materiaaliparista, sekä huokoinen kiinteä polymeeri, että lubrikantti, hylkivät vettä. Näin ollen vesipisarat voisivat liukua kaltevalta pinnalta pois ennen mahdollista jäätymistä. Pintateknisissä valinnoissa myös kestävyydellä on tärkeä rooli loppukäyttökohdetta mietittäessä, sillä kiinteältä materiaalilta voidaan vaatia muun muassa UV, kemikaali- tai kulumiskestoa.
Väitöstutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten SLIPS-pinnat selviytyvät useissa eri ilmasto-olosuhteissa jäänhylkivyyden, kastuvuuden ja kestävyyden suhteen. Nämä ominaisuudet ovat vahvasti riippuvaisia käytetyistä materiaaleista, joten oikeiden materiaalien yhdistäminen SLIPS-pinnaksi on tutkimuksen kannalta erittäin tärkeää.
Henna Niemelä-Anttonen tutkii ja kehittää jäätähylkiviä pintoja Tampereen yliopistossa (entinen Tampereen teknillinen yliopisto) väitöskirjatutkijana pinnoitustekniikan tutkimusryhmässä. Väitöskirja keskittyy SLIPSpintoihin, slippery liquid infused porous surfaces, joiden jäänadheesio on erittäin matala. SLIPS-pintojen ominaisuudet perustuvat kiinteän materiaalin ja lubrikantin muodostamaan liukkaaseen materiaalipariin. Väitöskirja valmistuu vuonna 2020.