防冰绝招哪家强？科学家向荷叶“取经”

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早上，你顶着寒风走出家门，准备飞往其他地方去见一位重要的顾客。出门没多久，你就在地上重重地滑了一跤——大楼外面的人行道在某个地方冻住了。

你挣扎着站起来，庆幸自己很强壮，摔了一跤，但你昨晚刚洗的衣服已经“报销”了

当你回家换衣服时，你小心翼翼地走到停车场，准备发动汽车，却发现汽车的挡风玻璃上覆盖着一层厚厚的冰。当你终于清除了车上的冰时，已经比预定的出发时间提前了半个多小时。

担心错过航班，你赶到机场，发现登机还没有开始。你心中的一块大石头终于落在了地上。然而，你不会很快高兴:由于跑道和机翼严重结冰，有很多航班延误。如果你不能按时赴约，这会影响公司的业务，你真的不知道如何向老板解释。

来源:维尔画廊

这种“双重打击”的情况可能有些夸张，但不争的事实是，结冰给我们生活的各个方面带来很多不便，甚至造成严重的财产和人员伤亡。例如，在2008年我国南方省份发生的暴风雪中，大量电线和铁塔因严重结冰而倒塌，造成严重的供电和通信中断。

正是因为结冰对人类生命造成了严重威胁，所以每当冬天来临的时候，保护重要的固体表面免受这些“不速之客”的侵害始终是一项至关重要的任务。

目前的除冰或防冰方法无非是:用简单的机械力打破冰层；加热固体表面以融化冰；喷洒盐和酒精等化学物质来降低水的冰点。

虽然这些被称为“主动防冰”的措施是有效的，但是它们的缺点也是显而易见的:机械除冰需要时间和精力，并且操作者也将面临潜在的危险，例如从高处坠落或坠落。在2008年中国南方雪灾中，湖南省的周景华、罗昌明和罗因输电塔在除冰过程中突然倒塌而不幸光荣遇难。加热固体表面需要大量的能量输入。然而，使用化学试剂除冰可能会导致地表径流和地下水污染。

因此，近年来，人们提出了一个全新的想法:我们能否设计出这样一种固体材料，它的表面即使暴露在低温下也不会附着在冰层上，无需人为干预，从而一劳永逸地解决结冰带来的各种问题？

这就是所谓的“被动防冰”方法。

这个目标起初听起来像一个寓言，但是如果你仔细分析它，你会发现它并不是完全不可能的。当然，在开始设计这种材料之前，我们首先需要了解为什么厚冰层会突然完好地附着在固体表面。

超疏水表面:对冻雨说不？

固体表面结冰的原因之一是冻雨。冻雨是一种非常令人头痛的自然灾害。在2008年给中国南方的人民和财产造成严重损失的暴风雪中，许多损失来自冻雨。当出现冻雨时，温度低于0℃的水滴，即所谓的过冷水滴，从空气中落下，遇到固体表面时迅速冻结。

因此，如果过冷水滴在固体表面，并在凝固前迅速流走，难道不可能实现永不结冰的目标吗？

1.向荷叶学习——微结构和蜡覆盖的强大结合

带着这个目标，研究人员去大自然寻找灵感，他们很快注意到一个值得模仿的物体:荷叶。

如果我们仔细观察，我们会发现落在荷叶上的水滴不仅会一直保持球形，而且当微风吹来，叶子微微倾斜时，水滴会很快滚落下来。相反，水滴落在玻璃上不仅会散开，而且只有当我们大大倾斜玻璃时才会流下来。

荷叶表面的秘密是什么？要回答这个问题，我们首先需要理解一些基本概念。

当我们把一滴水放在固体表面上时，水滴的重力会驱使水滴在固体表面上散开，形成一层薄液膜。然而，还有另外两种重要的力量决定着水滴的命运:第一，水分子和固体表面上的分子之间的分子间力，这类似于重力，将水扩散到固体表面上；第二个是水分子之间的分子间力。它的效果正好相反。它将使水滴尽可能保持它们原来的球形。

当水滴的体积足够小时，重力的影响可以忽略，水分子之间的相互作用力也是固定的，所以水滴在固体表面上的“方向”主要取决于固体分子和水分子之间作用力的大小。如果这个力足够大，水就会在固体表面扩散开来。我们称水能够渗透固体，相应地，这些固体被称为亲水表面。相反，如果固体和液体分子之间的力很弱，水在固体表面上往往保持球形。我们称水不能渗透固体，而固体称为疏水表面。

为了确定固体表面的亲水性或疏水性，我们可以测量液滴边缘和固体表面之间的角度，通常称为接触角。不难看出，当水滴完全铺展在固体表面上时，接触角应该是0°，而当水滴完全是球形时，接触角应该是180°。因此，接触角越大，固体的疏水性越强。

水在亲水、疏水和超疏水表面上接触角的比较。

(照片来源:参考资料)

过冷水滴在倾斜的超疏水表面上(图c)，然后迅速弹起，从而使固体表面长时间处于无冰状态。相反，在相同的条件下，常规的亲水表面(图a)和疏水表面(图b)都很快被冰层覆盖。最右边的图片显示了在电子显微镜下超疏水表面的微观结构，尺度为10微米。(照片来源:参考[5)

但很快，研究人员困惑地发现，在随后的一些测试中，超疏水表面经常“击败麦田”，其防冰能力并不比普通固体表面好多少。为什么会有这样的矛盾？

刚才我们提到，超疏水表面防冰的关键是，落在表面上的液滴在有机会结冰之前会迅速反弹，但在许多情况下，这并不容易。例如，在刚才提到的研究中，科学家发现，随着温度降低，水的粘度增加，当水落到固体表面时，它可能不会及时反弹，而是像普通表面一样冻结[5]。

此外，如果雨滴撞击固体表面的速度太快，或者如果环境湿度高，导致水蒸气直接凝结在固体表面上，也会导致另一种更糟糕的情况，即撞击固体表面的过冷水滴会进入微结构之间最初被空气占据的孔隙。这时，虽然水滴在固体上的接触角仍可接近180°，但水滴流动时的摩擦力大大增加，所以当固体倾斜时，液滴不再迅速向下流动，而是“不情愿地”留在固体表面上。不难想象，当冻雨到来时，这样的表面不仅难以防止结冰，而且更难以清除表面上的冰，因为粗糙不平的表面增加了冰和固体之间的附着力。

一旦超疏水表面形成冰层，我们通常不得不通过机械力和其他手段将其去除，这可能导致更坏的结果，即其表面的微结构在除冰期间被部分损坏，这也可能使水滴进入微结构之间的间隙，从而大大降低其防冰能力。例如，一些研究表明，在大约20次结冰-除冰循环后，超疏水表面和冰层之间的粘附力将显著增加。

正是由于超疏水表面在防冰除冰应用中的局限性，近年来，研究人员开始将注意力转向另一种表面结构，这也是受到自然的启发，即著名的食虫植物猪笼草。

参考:

[1]张凤英，吕，“超疏水表面的研究进展及其在能源领域的应用”，能源，2015，82，1068

[2]马，兰道尔·希尔，“超疏水表面”，胶体与界面科学的最新观点，2006，11，193

[3] Thieery Darmanin和Frédéric Guittard，“自然界超疏水和超疏油性”，今日材料，2015年18月273日

[4]迈克尔·j·克莱德等:“防冰表面的设计:光滑、有纹理还是光滑？”，自然评论材料，2016，1，1

[5]李迪亚·米什琴科，“基于水滴碰撞排斥的无冰纳米结构表面设计”，美国化学学会纳米，2010，4，7699

[6] S. A .库里尼奇等人:“超疏水表面:它们真的是防冰的吗？”，Langmuir，2011，27，25

原标题:“向荷叶学习”，科学家制造抗冰材料