伴隨著降溫，新一輪的寒潮天氣來了。

　　早晨頂著寒風出門，不僅(jin) 要做好保暖，還要時刻擔心腳下的路麵有沒有結冰，否則分分鍾馬路變冰場，而在冰上狼狽“起舞”的，不是冰刀小王子，而是還沒睡醒的你自己。

　　圖片來源：Veer圖庫 

　　結冰給我們(men) 生活的方方麵麵帶來諸多不便，因此，除了機械破冰、加熱融化、撒鹽化冰等主動防冰手段，人們(men) 提出了一個(ge) 全新的構想：能否設計這樣一種固體(ti) 材料，它的表麵即使沒有人為(wei) 的幹預，暴露在低溫下也不會(hui) 附著冰層，從(cong) 而一勞永逸地解決(jue) 結冰帶來的種種煩惱？也就是所謂的“被動防冰”。

　　這一目標初聽起來像是天方夜譚，但事實上，還真可行。

　　優(you) 劣並存的超疏水材料：想防冰先向荷葉學習(xi)

　　自然界中，落在荷葉上的水滴不僅(jin) 總是會(hui) 保持球形，而且當微風吹過，葉片略有傾(qing) 斜時，水滴很快就會(hui) 滾落。這是因為(wei) 荷葉的表麵布滿了許多直徑、高度和間距都隻有十幾到幾十微米的小柱子，這些粗糙不平的微觀結構讓荷葉具有極強的疏水能力。

　　如果能讓材料像荷葉一般“疏水”，水滴落到固體(ti) 表麵後，還沒來得及凝固之前就會(hui) 迅速流走，那麽(me) 不就有可能實現永不結冰的目標了嗎？

　　2010年的一項研究驗證了這一猜想，過冷水滴落到普通親(qin) 水甚至疏水表麵上都會(hui) 迅速結冰，但落到超疏水表麵卻會(hui) 迅速彈開，從(cong) 而讓固體(ti) 表麵不受結冰的困擾。

　　過冷水滴落在傾(qing) 斜的超疏水表麵（圖C）上後會(hui) 迅速彈起，從(cong) 而使得固體(ti) 表麵長時間保持不結冰狀態；相反，常規的親(qin) 水表麵（圖A）和疏水表麵（圖B）在相同條件下都會(hui) 迅速被冰層覆蓋。最右圖為(wei) 電子顯微鏡下看到的超疏水表麵上的微觀結構，標尺為(wei) 10微米。

　　圖片來源：參考文獻[5]

　　不過，由於(yu) 水的粘度會(hui) 隨著溫度降低而增加，落到固體(ti) 表麵上後就可能無法及時彈起，而是像普通表麵一樣結冰。同時，如果雨滴撞擊表麵時的速度過快，或者環境濕度較高時導致水蒸氣直接在固體(ti) 表麵凝結，還會(hui) 使得過冷水滴進入微觀結構之間原本由空氣占據的孔隙。

　　這樣的表麵不僅(jin) 很難起到防冰效果，而且由於(yu) 粗糙不平的表麵增加了冰和固體(ti) 之間的黏附力，表麵上的冰反而更加難以清除，無疑是雪上加霜。

　　因此，超疏水表麵在防冰除冰的應用中，並不是最優(you) 解。

　　從(cong) “滾”到“滑”：這次學學豬籠草

　　眾(zhong) 所周知，豬籠草通過籠頂部的蜜腺和光滑的籠內(nei) 壁誘捕獵物。

　　為(wei) 什麽(me) 豬籠草的內(nei) 壁這麽(me) 絲(si) 滑？有些豬籠草擁有光滑的蠟質，而有些豬籠草內(nei) 壁的表麵則布滿許多微觀結構。這些看不見的“孔洞”使得內(nei) 壁表麵能夠較長時間地被雨水覆蓋，保持光滑的效果。因此落入捕籠的昆蟲在內(nei) 壁上站立不穩，也就很難逃出生天。這樣的表麵，科學家們(men) 稱之為(wei) “液體(ti) 浸潤多孔光滑表麵”，簡稱為(wei) SLIPS 。

　　受豬籠草的啟發，研究人員開始嚐試人工建造SLIPS表麵，並且很快發現，這種具有非凡本領的表麵可以由超疏水表麵經過簡單的“升級”而來——直接在超疏水表麵塗上特殊的液體(ti) 就可以了。

　　布滿微觀結構的超疏水表麵雖然滴水不沾，卻和一些含氟的液態有機物“誌趣相投”，可以被後者浸潤。因此，如果把這些液體(ti) 塗到超疏水表麵，它們(men) 就可以長久地呆在那裏，不會(hui) 流走。

　　由於(yu) 水既不能浸潤超疏水表麵，也無法與(yu) 這些含氟的液體(ti) 互溶，因此隻能停留在表麵上，而表麵由於(yu) 含氟液體(ti) 層的存在非常光滑，所以隻要我們(men) 稍稍傾(qing) 斜，水滴就會(hui) 滑落而下。

　　固體(ti) 表麵猶如光滑的豬籠草內(nei) 壁，水滴就像誤入陷阱的獵物，連站都站不穩腳跟，又該如何結冰呢？顯然，在低溫天氣下，這樣的表麵能夠有效阻止冰層的形成。

　　2012年的一項研究發現，在低溫下，隨著時間的推移，當傳(chuan) 統的超疏水表麵也堅持不住開始出現結冰時，SLIPS表麵的大部分區域仍然保持初始狀態，彰顯了這一類表麵的威力。

　　將普通的鋁的表麵（上）經過處理轉化成SLIPS表麵（下）後，低溫下固體(ti) 表麵結冰的過程大大延緩。即便最終冰仍然會(hui) 在SLIPS表麵形成，升溫後也較為(wei) 容易除去。

　　（圖片來源：參考文獻）

　　雖然SLIPS表麵與(yu) 超疏水表麵相比，具有一定的自我修複能力，且由於(yu) 使用的液體(ti) 沸點較高，不會(hui) 像水那樣在使用過程揮發殆盡，但是，一些研究仍然表明，SLIPS表麵中起潤滑作用的液體(ti) 會(hui) 在結冰-除冰的循環中不斷流失。

　　當這些起到潤濕作用的液體(ti) 消耗殆盡時，SLIPS表麵就會(hui) 退化成超疏水表麵，而使用者也不得不麵對後者的弊端。

　　用水來抗冰？科學家將天方夜譚變為(wei) 現實

　　針對上文的問題，來自我國的研究人員對SLIPS表麵進行了改造，不再使用有機物液體(ti) ，而是改用水來浸潤固體(ti) 表麵。

　　他們(men) 在常規的固體(ti) 表麵塗上一層具有吸濕性的高分子材料。由於(yu) 這一層高分子材料的存在，空氣中的水汽很容易凝結到固體(ti) 表麵，形成一層薄薄的水膜。就像鹽水比純水需要更低的溫度才能結冰一樣，溶解了高分子材料的水膜，其凝固點也顯著降低，可以在-25 oC的低溫下仍然保持液態。

　　簡單來說，就是在冰和固體(ti) 之間建造一道水膜屏障。由於(yu) 水膜的潤滑作用，冰層和固體(ti) 之間的黏附作用相當微弱，我們(men) 隻需要很小一點力就可以將冰層清除。

　　這項研究實際上標誌著致力於(yu) 表麵防冰研究的科學家們(men) 開始調整思路，不再關(guan) 注於(yu) 如何防止固體(ti) 表麵結冰，而是轉向研究如何使固體(ti) 更易除冰。

　　2019年發表在《科學》上的一項研究中，來自美國密歇根大學的研究人員發現，如果將固體(ti) 表麵的韌性控製在一定程度以下，達到所謂“低界麵韌性表麵”，當固體(ti) 長度超過一個(ge) 很小的臨(lin) 界值後，長度繼續增加，固體(ti) 與(yu) 冰層之間的作用不再隨之增加，而是趨於(yu) 恒定且較低的程度。而且與(yu) 前麵提到的若幹防冰表麵不同，這種表麵不需要特殊的物理或者化學結構，隻需通過降低常規塗層厚度和向塗層中添加增塑劑等簡單的辦法就可以實現。

　　也就是說，隻要在固體(ti) 表麵塗上一層特殊的塗層，就可以起到輕鬆除冰的效果。

　　這種固體(ti) 表麵雖然乍一看不像超疏水表麵和SLIPS表麵那樣能夠阻止冰層的形成，在實際操作中，它的防冰效果可能反而要大大優(you) 於(yu) 前二者呢。

　　圖A：“低界麵韌性表麵”的防冰效果既優(you) 於(yu) 普通的固體(ti) 表麵（左），也超過了傳(chuan) 統的防冰表麵（中）；圖B：用低界麵韌性表麵塗層處理後的鋁板在室外的防冰測試。 

　　（圖片來源：參考文獻） 

　　這一係列新的研究的問世，表明科學家們(men) 對於(yu) 表麵防冰除冰的認識不斷深入。當然，這一領域還存在的不少有待解決(jue) 的難題，開發持續耐久、且在各種條件下都能較好防止冰層形成的表麵仍然是一個(ge) 不小的挑戰。不過相信隨著材料學的進步，我們(men) 在冬季會(hui) 越來越少地受到結冰的困擾。

　　參考文獻

　　[1] P. Zhang, F.Y. Lv, “A Review of the Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and the Emerging Energy-related Applications”, Energy, 2015, 82, 1068

　　[2] Minglin Ma, Randal M. Hill, “Superhydrophobic Surfaces”, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2006, 11, 193

　　[3] Thieery Darmanin and Frédéric Guittard, “Superhydrophobic and Superoleophobic Properties in Nature”, Materials Today, 2015, 18, 273

　　[4] Michael J. Kreder et al. “Design of Anti-Icing Surfaces: Smooth, Textured or Slippery?”, Nature Review Materials, 2016, 1, 1

　　[5] Lidiya Mishchenko, “Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets”, ACS Nano, 2010, 4, 7699

　　[6] S. A. Kulinich et al. “Superhydrophobic Surfaces: Are They Really Ice-Repellent?”, Langmuir, 2011, 27, 25

　　[7] Tak-Sing Wong, “Bioinspired Self-Repairing Slippery Surfaces with Pressure-Stable Omniphobicity”, Nature, 2011, 477, 443

　　[8] Philseok Kim et al. “Liquid-Infused Nanostructured Surfaces with Extreme Anti-Ice and Anti-Frost Performance”, ACS Nano, 2012, 6, 6569

　　[9] Konrad Rykaczewski et al. “Mechanism of Frost Formation on Lubricant-Impregnated Surfaces”, Langmuir, 2013, 29, 5230

　　[10] Jing Chen et al. “Robust Prototypical Anti-icing Coatings with a Self-lubricating Liquid Water Layer between Ice and Substrate”, ACS Applied Materials and Interfaces, 2013, 5, 4026

　　[11] Renmei Dou et al. “Anti-icing Coating with an Aqueous Lubricating Layer”, 2014, 6, 6998

　　[12] Kevin Golovin et al. “Low–interfacial Toughness Materials for Effective Large-scale Deicing”, Science, 2019, 364, 371
 

　　伴隨著降溫，新一輪的寒潮天氣來了。

　　早晨頂著寒風出門，不僅(jin) 要做好保暖，還要時刻擔心腳下的路麵有沒有結冰，否則分分鍾馬路變冰場，而在冰上狼狽“起舞”的，不是冰刀小王子，而是還沒睡醒的你自己。

　　圖片來源：Veer圖庫 

　　結冰給我們(men) 生活的方方麵麵帶來諸多不便，因此，除了機械破冰、加熱融化、撒鹽化冰等主動防冰手段，人們(men) 提出了一個(ge) 全新的構想：能否設計這樣一種固體(ti) 材料，它的表麵即使沒有人為(wei) 的幹預，暴露在低溫下也不會(hui) 附著冰層，從(cong) 而一勞永逸地解決(jue) 結冰帶來的種種煩惱？也就是所謂的“被動防冰”。

　　這一目標初聽起來像是天方夜譚，但事實上，還真可行。

　　優(you) 劣並存的超疏水材料：想防冰先向荷葉學習(xi)

　　自然界中，落在荷葉上的水滴不僅(jin) 總是會(hui) 保持球形，而且當微風吹過，葉片略有傾(qing) 斜時，水滴很快就會(hui) 滾落。這是因為(wei) 荷葉的表麵布滿了許多直徑、高度和間距都隻有十幾到幾十微米的小柱子，這些粗糙不平的微觀結構讓荷葉具有極強的疏水能力。

　　如果能讓材料像荷葉一般“疏水”，水滴落到固體(ti) 表麵後，還沒來得及凝固之前就會(hui) 迅速流走，那麽(me) 不就有可能實現永不結冰的目標了嗎？

　　2010年的一項研究驗證了這一猜想，過冷水滴落到普通親(qin) 水甚至疏水表麵上都會(hui) 迅速結冰，但落到超疏水表麵卻會(hui) 迅速彈開，從(cong) 而讓固體(ti) 表麵不受結冰的困擾。

　　過冷水滴落在傾(qing) 斜的超疏水表麵（圖C）上後會(hui) 迅速彈起，從(cong) 而使得固體(ti) 表麵長時間保持不結冰狀態；相反，常規的親(qin) 水表麵（圖A）和疏水表麵（圖B）在相同條件下都會(hui) 迅速被冰層覆蓋。最右圖為(wei) 電子顯微鏡下看到的超疏水表麵上的微觀結構，標尺為(wei) 10微米。

　　圖片來源：參考文獻[5]

　　不過，由於(yu) 水的粘度會(hui) 隨著溫度降低而增加，落到固體(ti) 表麵上後就可能無法及時彈起，而是像普通表麵一樣結冰。同時，如果雨滴撞擊表麵時的速度過快，或者環境濕度較高時導致水蒸氣直接在固體(ti) 表麵凝結，還會(hui) 使得過冷水滴進入微觀結構之間原本由空氣占據的孔隙。

　　這樣的表麵不僅(jin) 很難起到防冰效果，而且由於(yu) 粗糙不平的表麵增加了冰和固體(ti) 之間的黏附力，表麵上的冰反而更加難以清除，無疑是雪上加霜。

　　因此，超疏水表麵在防冰除冰的應用中，並不是最優(you) 解。

　　從(cong) “滾”到“滑”：這次學學豬籠草

　　眾(zhong) 所周知，豬籠草通過籠頂部的蜜腺和光滑的籠內(nei) 壁誘捕獵物。

　　為(wei) 什麽(me) 豬籠草的內(nei) 壁這麽(me) 絲(si) 滑？有些豬籠草擁有光滑的蠟質，而有些豬籠草內(nei) 壁的表麵則布滿許多微觀結構。這些看不見的“孔洞”使得內(nei) 壁表麵能夠較長時間地被雨水覆蓋，保持光滑的效果。因此落入捕籠的昆蟲在內(nei) 壁上站立不穩，也就很難逃出生天。這樣的表麵，科學家們(men) 稱之為(wei) “液體(ti) 浸潤多孔光滑表麵”，簡稱為(wei) SLIPS 。

　　受豬籠草的啟發，研究人員開始嚐試人工建造SLIPS表麵，並且很快發現，這種具有非凡本領的表麵可以由超疏水表麵經過簡單的“升級”而來——直接在超疏水表麵塗上特殊的液體(ti) 就可以了。

　　布滿微觀結構的超疏水表麵雖然滴水不沾，卻和一些含氟的液態有機物“誌趣相投”，可以被後者浸潤。因此，如果把這些液體(ti) 塗到超疏水表麵，它們(men) 就可以長久地呆在那裏，不會(hui) 流走。

　　由於(yu) 水既不能浸潤超疏水表麵，也無法與(yu) 這些含氟的液體(ti) 互溶，因此隻能停留在表麵上，而表麵由於(yu) 含氟液體(ti) 層的存在非常光滑，所以隻要我們(men) 稍稍傾(qing) 斜，水滴就會(hui) 滑落而下。

　　固體(ti) 表麵猶如光滑的豬籠草內(nei) 壁，水滴就像誤入陷阱的獵物，連站都站不穩腳跟，又該如何結冰呢？顯然，在低溫天氣下，這樣的表麵能夠有效阻止冰層的形成。

　　2012年的一項研究發現，在低溫下，隨著時間的推移，當傳(chuan) 統的超疏水表麵也堅持不住開始出現結冰時，SLIPS表麵的大部分區域仍然保持初始狀態，彰顯了這一類表麵的威力。

　　將普通的鋁的表麵（上）經過處理轉化成SLIPS表麵（下）後，低溫下固體(ti) 表麵結冰的過程大大延緩。即便最終冰仍然會(hui) 在SLIPS表麵形成，升溫後也較為(wei) 容易除去。

　　（圖片來源：參考文獻）

　　雖然SLIPS表麵與(yu) 超疏水表麵相比，具有一定的自我修複能力，且由於(yu) 使用的液體(ti) 沸點較高，不會(hui) 像水那樣在使用過程揮發殆盡，但是，一些研究仍然表明，SLIPS表麵中起潤滑作用的液體(ti) 會(hui) 在結冰-除冰的循環中不斷流失。

　　當這些起到潤濕作用的液體(ti) 消耗殆盡時，SLIPS表麵就會(hui) 退化成超疏水表麵，而使用者也不得不麵對後者的弊端。

　　用水來抗冰？科學家將天方夜譚變為(wei) 現實

　　針對上文的問題，來自我國的研究人員對SLIPS表麵進行了改造，不再使用有機物液體(ti) ，而是改用水來浸潤固體(ti) 表麵。

　　他們(men) 在常規的固體(ti) 表麵塗上一層具有吸濕性的高分子材料。由於(yu) 這一層高分子材料的存在，空氣中的水汽很容易凝結到固體(ti) 表麵，形成一層薄薄的水膜。就像鹽水比純水需要更低的溫度才能結冰一樣，溶解了高分子材料的水膜，其凝固點也顯著降低，可以在-25 oC的低溫下仍然保持液態。

　　簡單來說，就是在冰和固體(ti) 之間建造一道水膜屏障。由於(yu) 水膜的潤滑作用，冰層和固體(ti) 之間的黏附作用相當微弱，我們(men) 隻需要很小一點力就可以將冰層清除。

　　這項研究實際上標誌著致力於(yu) 表麵防冰研究的科學家們(men) 開始調整思路，不再關(guan) 注於(yu) 如何防止固體(ti) 表麵結冰，而是轉向研究如何使固體(ti) 更易除冰。

　　2019年發表在《科學》上的一項研究中，來自美國密歇根大學的研究人員發現，如果將固體(ti) 表麵的韌性控製在一定程度以下，達到所謂“低界麵韌性表麵”，當固體(ti) 長度超過一個(ge) 很小的臨(lin) 界值後，長度繼續增加，固體(ti) 與(yu) 冰層之間的作用不再隨之增加，而是趨於(yu) 恒定且較低的程度。而且與(yu) 前麵提到的若幹防冰表麵不同，這種表麵不需要特殊的物理或者化學結構，隻需通過降低常規塗層厚度和向塗層中添加增塑劑等簡單的辦法就可以實現。

　　也就是說，隻要在固體(ti) 表麵塗上一層特殊的塗層，就可以起到輕鬆除冰的效果。

　　這種固體(ti) 表麵雖然乍一看不像超疏水表麵和SLIPS表麵那樣能夠阻止冰層的形成，在實際操作中，它的防冰效果可能反而要大大優(you) 於(yu) 前二者呢。

　　圖A：“低界麵韌性表麵”的防冰效果既優(you) 於(yu) 普通的固體(ti) 表麵（左），也超過了傳(chuan) 統的防冰表麵（中）；圖B：用低界麵韌性表麵塗層處理後的鋁板在室外的防冰測試。 

　　（圖片來源：參考文獻） 

　　這一係列新的研究的問世，表明科學家們(men) 對於(yu) 表麵防冰除冰的認識不斷深入。當然，這一領域還存在的不少有待解決(jue) 的難題，開發持續耐久、且在各種條件下都能較好防止冰層形成的表麵仍然是一個(ge) 不小的挑戰。不過相信隨著材料學的進步，我們(men) 在冬季會(hui) 越來越少地受到結冰的困擾。

　　參考文獻

　　[1] P. Zhang, F.Y. Lv, “A Review of the Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and the Emerging Energy-related Applications”, Energy, 2015, 82, 1068

　　[2] Minglin Ma, Randal M. Hill, “Superhydrophobic Surfaces”, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2006, 11, 193

　　[3] Thieery Darmanin and Frédéric Guittard, “Superhydrophobic and Superoleophobic Properties in Nature”, Materials Today, 2015, 18, 273

　　[4] Michael J. Kreder et al. “Design of Anti-Icing Surfaces: Smooth, Textured or Slippery?”, Nature Review Materials, 2016, 1, 1

　　[5] Lidiya Mishchenko, “Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets”, ACS Nano, 2010, 4, 7699

　　[6] S. A. Kulinich et al. “Superhydrophobic Surfaces: Are They Really Ice-Repellent?”, Langmuir, 2011, 27, 25

　　[7] Tak-Sing Wong, “Bioinspired Self-Repairing Slippery Surfaces with Pressure-Stable Omniphobicity”, Nature, 2011, 477, 443

　　[8] Philseok Kim et al. “Liquid-Infused Nanostructured Surfaces with Extreme Anti-Ice and Anti-Frost Performance”, ACS Nano, 2012, 6, 6569

　　[9] Konrad Rykaczewski et al. “Mechanism of Frost Formation on Lubricant-Impregnated Surfaces”, Langmuir, 2013, 29, 5230

　　[10] Jing Chen et al. “Robust Prototypical Anti-icing Coatings with a Self-lubricating Liquid Water Layer between Ice and Substrate”, ACS Applied Materials and Interfaces, 2013, 5, 4026

　　[11] Renmei Dou et al. “Anti-icing Coating with an Aqueous Lubricating Layer”, 2014, 6, 6998

　　[12] Kevin Golovin et al. “Low–interfacial Toughness Materials for Effective Large-scale Deicing”, Science, 2019, 364, 371
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