導(dǎo) 讀

冬季北半球50%以上的陸地被冰雪覆蓋，這對(duì)維持大氣、地質(zhì)和生命系統(tǒng)都至關(guān)重要。然而，固體表面不同形式的冰(如霜、雪、釉和霧)嚴(yán)重威脅人類(lèi)社會(huì)的能源安全。例如，結(jié)冰問(wèn)題會(huì)增加大壩和船閘、飛機(jī)、特快列車(chē)、空調(diào)、冰箱、風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能電池板、電力線路、懸索橋、熱泵和海上石油平臺(tái)等基礎(chǔ)設(shè)施的能源消耗，降低設(shè)備運(yùn)行效率，引發(fā)電氣和機(jī)械故障，增加設(shè)施運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

電熱融冰、化學(xué)防凍劑、機(jī)械除冰、高壓直流、電脈沖等主動(dòng)防冰策略因其高效性是目前應(yīng)用最廣泛和普遍的方法。然而，大多數(shù)主動(dòng)防冰策略能耗高、成本高、功效低且環(huán)境負(fù)荷大。

為解決這些問(wèn)題，王健君課題組與賀志遠(yuǎn)課題組研究出了抵抗水凝結(jié)、抑制冰成核、防止冰傳播和減少冰黏附的被動(dòng)防冰策略。主要包括: 

(1)冰成核是限制冰形成速率的關(guān)鍵步驟，一種旨在防止非均相冰成核的防冰方法引起了廣泛關(guān)注。通過(guò)控制表面電荷和電荷密度、抗衡離子類(lèi)型、羥基密度、表面粗糙度和缺陷、表面結(jié)晶晶格結(jié)構(gòu)和表面局域電場(chǎng)，可以調(diào)節(jié)不同表面的冰成核溫度，例如，聚電解質(zhì)水凝膠涂層表面使冰成核溫度低于-30 ℃。

(2)控制冰傳播對(duì)于防冰應(yīng)用至關(guān)重要。在聚電解質(zhì)多層膜、聚電解質(zhì)水凝膠和多層水凝膠表面，通過(guò)簡(jiǎn)單改變抗衡離子和聚電解質(zhì)類(lèi)型，冰的傳播速率可以降低3個(gè)數(shù)量級(jí)。

(3)冰黏附強(qiáng)度對(duì)防冰策略的影響也不能忽視?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)界面水結(jié)構(gòu)、流動(dòng)性和數(shù)量來(lái)對(duì)其控制。自潤(rùn)滑液態(tài)水層已被證明是冰附著性極低的疏冰表面，其上結(jié)冰很容易通過(guò)風(fēng)吹脫落。

(4)為抑制凝結(jié)凍結(jié)和去升華，研究了超疏水表面去除沖擊水滴和凝結(jié)水滴的能力——表面液體水滴可被快速移走，使表面無(wú)水可結(jié)冰。

需要指出的是，上述主動(dòng)或被動(dòng)防冰策略均不能獨(dú)自滿足多樣化的應(yīng)用要求。理想情況下，未來(lái)需要結(jié)合主動(dòng)和被動(dòng)防冰優(yōu)點(diǎn)，尋找對(duì)環(huán)境無(wú)害且經(jīng)濟(jì)高效的防冰策略。例如，電熱防冰與光熱防冰策略結(jié)合，可突破風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域全天連續(xù)不結(jié)冰的應(yīng)用瓶頸，即電熱防冰方式和光熱防冰方式相得益彰——前者在夜間有效，而后者在白天有效；再如，電熱防冰膜與超疏水涂層相結(jié)合在航空、鐵路和風(fēng)機(jī)葉片等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，電熱防冰膜上融化的冰容易從超疏水涂層上脫落，避免再次凍結(jié)；還如，工業(yè)機(jī)器人除冰與超低冰附著涂層方法結(jié)合，在太陽(yáng)能電池板、電力線路、懸索橋和海上石油平臺(tái)等領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大。值得注意的是，機(jī)械除冰方法缺失會(huì)導(dǎo)致大多數(shù)超低粘冰涂層失效，因?yàn)楸荒芸恐亓ψ孕忻撀?。主?dòng)和被動(dòng)防冰方法的組合具有通用性和突出性。

責(zé)任編輯

施珊珊   南京大學(xué)

宋國(guó)寶   大連理工大學(xué)