▲第一作者：沈一洲；通訊作者：陶杰，陳忠；

論文DOI：10.1016/j.pmatsci.2019.03.004

近日，南京航空航天大學材料科學與技術學院沈一洲副研究員撰寫的題為“Icephobic materials: Fundamentals, performance evaluation, and applications”的長篇論文在材料科學頂級期刊Progress in Materials Science （Impact Factor: 23.75）上在線發表。Progress in Materials Science 年均出版 6-8 期，每期刊出論文 1-6 篇，由期刊編輯部約稿，專門刊發材料科學領域重要進展的學術文章，該論文第一作者是沈一洲副研究員，共同作者有南京航空航天大學的朱春玲教授、新加坡南洋理工大學武興華博士、福州大學賴躍坤教授、通訊作者為南京航空航天大學的陶杰教授、南洋理工大學的陳忠教授。該論文系統地介紹了南京航空航天大學、福州大學以及新加坡南洋理工大學在飛機防結冰材料研究方面取得的一系列基礎理論和應用研究進展，并闡明了飛機防結冰材料研究所面臨的挑戰與機遇。

飛機表面結冰會引起一系列問題，機翼表面附著厚度在 1.2 mm 左右的冰層就會使單位面積的升力降低 25 %，給飛機操控帶來困難，結冰嚴重時甚至會造成墜機事故。目前常用的一些主動防除冰技術，如汽熱/電熱除冰、機械除冰等，能耗較高，難以滿足新型大飛機高燃油經濟性的需求。有別于主動防除冰技術，被動防除冰技術—防冰材料（Icephobic materials）具有非潤濕和低冰粘附的特征，無需額外的能量輸入就可以實現防覆冰的功能，成為近年來的研究熱點。

防結冰材料的設計具有多個切入點：減小固液接觸時間、抑制冰核長大及降低冰層粘附等。南京航空航天大學陶杰教授團隊，朱春玲教授團隊和南洋理工大學 Chen Z. 教授團隊協同合作，已經形成了從基礎理論分析，分子動力學模擬，到實驗測試和冰風洞應用驗證的完整研究體系。針對目前超疏水表面仍具有較高液滴粘滯力，無法及時有效地疏離表面液滴，進而導致防結冰效果不足的關鍵問題，研究團隊創新性地提出設計具有廣泛開闊性的微觀納米結構，以提高基體與液滴之間的空氣流動性，降低液滴在固體表面運動的粘滯阻力。此外，團隊研究發現在微納米復合結構的超疏水表面，二級納米結構存在一個臨界尺寸，即納米線間距低于 100 nm 時，固液間才能夠形成連續空氣層，導致表面液滴的潤濕模型向穩定的復合接觸潤濕模型轉變，表現出優異的超疏水性能。（Shen Y. et al.Soft Matter, 2015, 11, 3806-3811.）入選 2015 年 Soft Matter most accessed paper of Top 20。

鑒于目前超疏水表面研究工作仍主要集中在靜態液滴的潤濕性能評價上，且相關的研究結果無法合理解釋動態液滴環境下的固液接觸過程，研究團隊設計了相關的試驗，研究了撞擊液滴的固液接觸時間及接觸過程與固體表面潤濕性能之間的關系，準確揭示了液滴運動過程中的粘附耗散功與潤濕參數之間的數學模型（Shen Y. et al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7: 20972-20978.）。

通過設計初級的宏觀結構，改變撞擊液滴的流體力學分布，進一步降低了液滴粘附耗散功，降低了撞擊液滴的固液接觸時間，增加了固體表面的動態斥水性能（Shen Y. et al, Appl. Phys. Lett. 2015, 107: 111604.；Chem. Eng. J., 2017, 313, 47-55.；Appl. Phys. Lett. 2017,109: 221601），該工作受到了印度國家科學院 V. Vaikuntanathan 教授的積極評價。

當前，超疏水表面防結冰的微觀機制仍未能得到明確的揭示，研究團隊創新性地從水滴結晶形核的角度，闡明了超疏水表面復合的固液界面接觸方式對液滴結晶形核及其生長過程的作用機制。該工作（Shen Y. et al, Langmuir, 2015, 31: 10799-10806）為探究超疏水表面防結冰的微觀機制提供了新的思路，受到了同行專家的高度評價。

此外，研究團隊基于已優化的微納米復合結構超疏水表面，實驗探索了其防結冰性能，發現結冰延遲能力較優化前提高了數十倍，同時其表面冰層粘附力亦遠低于目前廣泛報道的研究結果，相關的研究成果目前正在進行工程驗證中，展示出廣闊的應用前景。

該項研究工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、國家博士后創新人才支持計劃、中國博士后科學基金、江蘇省博士后科研資助計劃、新加坡南洋理工大學工程學院 SUG 基金和新加坡 A*Star SERC 基金的資助。