在寒冷的環(huán)境中，冰雪在室外建筑，交通工具、道路等表面的附著、積聚給人們的生產(chǎn)、生活帶來諸多不便，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。比如，飛機(jī)上的結(jié)冰容易引發(fā)嚴(yán)重飛行事故；電纜的嚴(yán)重結(jié)冰將會(huì)引起坍塌而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障。而防覆冰技術(shù)恰好為解決這一難題的提供了強(qiáng)有力的支持。傳統(tǒng)的防覆冰方法大多基于除冰、融冰思路，以熱力除冰、機(jī)械除冰等主動(dòng)除冰方式為主，這種除冰方式產(chǎn)生大量能耗且容易對(duì)環(huán)境造成不利影響。防覆冰涂層旨在抑制或延緩冰晶在材料表面的形成，降低冰晶對(duì)基質(zhì)的附著力，并且具有能耗小、環(huán)境友好、適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)，逐步成為研究的重點(diǎn)。
挪威科技大學(xué)納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）張志良和何健英教授結(jié)合課題組內(nèi)十年來在防冰領(lǐng)域的工作，以及對(duì)冰-基底結(jié)合界面的理解，認(rèn)為現(xiàn)有的防覆冰表面設(shè)計(jì)思路主要是基于靜態(tài)的思考，即在冰形成后把冰-基底結(jié)合的界面視為靜止不變的，如果能夠從動(dòng)態(tài)發(fā)展的角度去審視冰和基底之間的界面行為，無疑可以為防覆冰表面的設(shè)計(jì)提供更多的解決方案。從而創(chuàng)造性地提出了動(dòng)態(tài)防覆冰表面的概念，并且對(duì)目前的相關(guān)進(jìn)展進(jìn)行了綜述及展望，文章發(fā)表于《Advanced Science》。
動(dòng)態(tài)防覆冰表面
文章首先對(duì)動(dòng)態(tài)防覆冰表面進(jìn)行了介紹，通過聚焦在冰-基底密切結(jié)合的部位，關(guān)注冰-基底結(jié)合處物理或者化學(xué)性質(zhì)在冰形成后的動(dòng)態(tài)變化行為，動(dòng)態(tài)防覆冰表面被分成了三個(gè)部分，動(dòng)態(tài)基底，動(dòng)態(tài)界面，動(dòng)態(tài)冰，如圖1所示。
圖1
動(dòng)態(tài)基底是指在冰形成后，基底可以在內(nèi)部或者外界的刺激下，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化從而實(shí)現(xiàn)更簡易的冰的移除，動(dòng)態(tài)基底包括，自響應(yīng)的基底，外界環(huán)境響應(yīng)的基底以及力學(xué)響應(yīng)的基底。動(dòng)態(tài)界面是指在冰形成后，可以動(dòng)態(tài)改變冰-固體界面，例如把這種固-固界面結(jié)合，轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液-固結(jié)合，這樣無疑可以更為便捷地移除冰。動(dòng)態(tài)界面被分為不結(jié)冰的界面水，界面裂紋引發(fā)表面，動(dòng)態(tài)界面融化，動(dòng)態(tài)界面生成器。動(dòng)態(tài)冰則是包括在冰的形成過程中或者產(chǎn)生后，可以動(dòng)態(tài)改變冰的性質(zhì)，從而降低冰在表面的附著甚至移除冰的表面。 動(dòng)態(tài)冰則包含了冰生長抑制表面，冰生長控制表面，可規(guī)劃無冰區(qū)域的表面，動(dòng)態(tài)冰融化的表面。三種表面各舉一例，如圖2-4所示。
圖2. 通過設(shè)計(jì)環(huán)境響應(yīng)的基底得到的動(dòng)態(tài)防覆冰表面 (a) 熱響應(yīng)的潤滑液可再生的有機(jī)凝膠 (b) 可相變的潤滑液浸潤的多孔表面。參考https://doi.org/10.1002/anie.202004122和https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.224。
圖3. 通過設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)界面生成器得到的動(dòng)態(tài)防覆冰表面，當(dāng)冰在表面覆蓋后，該界面生成器可以在界面動(dòng)態(tài)形成乙醇潤滑層，從而實(shí)現(xiàn)在多種表面（親水甚至粗糙表面）上冰的簡單移除。參考https://doi.org/10.1039/C9MH00859D。
圖4. 通過控制冰的生長得到的動(dòng)態(tài)防覆冰表面，該表面可以通過控制冰的生長方向垂直于表面，從而實(shí)現(xiàn)更簡易的冰移除。參考https://doi.org/10.1073/pnas.1712829114。
展望
該文章提出了動(dòng)態(tài)防覆冰表面的概念，并結(jié)合不同的研究趨勢(shì)對(duì)動(dòng)態(tài)防覆冰表面進(jìn)行了細(xì)分，希望可以給讀者一個(gè)更為全面細(xì)致的解釋。毫無疑問，過去幾十年中，人們對(duì)于被動(dòng)防覆冰表界面進(jìn)行了大量的研究并且也取得了很多重要進(jìn)展。但是目前我們看待結(jié)冰問題以及防覆冰表面的設(shè)計(jì)思路還有很大的進(jìn)步空間。對(duì)于冰在表面上的附著，理解冰形成后，冰-基底結(jié)合部位的動(dòng)態(tài)變化將是極為關(guān)鍵的啟發(fā)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，可以針對(duì)性地利用甚至設(shè)計(jì)這些動(dòng)態(tài)變化，從而達(dá)到更為高效的冰的移除。值得關(guān)注的是，動(dòng)態(tài)防覆冰是在現(xiàn)有的被動(dòng)防覆冰表面的的基礎(chǔ)上進(jìn)行的優(yōu)化，以及對(duì)設(shè)計(jì)思路的拓展，可以為未來防覆冰表面的設(shè)計(jì)提供更多可能性。雖然現(xiàn)有的防覆冰表面在耐久性，防污染，及低溫環(huán)境的使用以及大尺寸制備上依然存在挑戰(zhàn)性，但是我們相信，在不久的將來，更多的突破無疑會(huì)給防覆冰表界面帶來更多的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
挪威科技大學(xué)納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）由張志良教授于2006年成立，聚焦于納米力學(xué)及斷裂力學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，近年來主要關(guān)注材料表面及界面設(shè)計(jì)及其在防粘附領(lǐng)域中的應(yīng)用。該課題組的防冰研究始于2011年，經(jīng)過十年來的發(fā)展，已在世界范圍內(nèi)取得了較高的知名度，并于2019年舉辦了首屆國際防冰材料研討會(huì)，目前該課題組在防冰領(lǐng)域已與石油，電力等工業(yè)界建立了緊密的聯(lián)系。
原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202101163
