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雪花飘落，银装素裹，冬季以其独特的魅力给我们带来无尽的欢乐。冰，作为冬季的“特产”，不仅为我们提供了冰雪世界的视觉享受，也丰富了我们在冬日的运动。
但是，冰的存在也为我们的生产和生活带来了诸多不便。在交通领域，道路结冰会降低汽车轮胎与地面间的摩擦力，导致抓地力变弱，极易导致交通事故的发生；飞机机翼结冰会导致飞行阻力增加，升力降低，严重时会造成飞机重心的改变，引发飞行事故。
冰雪覆盖的路面
（图片来源：veer图库）
在新能源领域，风力发电的叶片直接暴露在空气中，冬天会产生霜冻和结冰的现象，不仅导致发电效率的降低，严重时还会对设备的结构造成损坏。
对于冰为我们带来的视觉盛宴，我们只需用眼睛欣赏、用心体会；可是面对结冰带来的问题，我们又该如何应对呢？
被动防冰，预防先行
想要避免结冰带来的问题，最简单的方法就是防止结冰。被动防冰主要是利用材料表面的物理和化学性质，防止冰的形成或积累，该方法通常不需要额外的能量。
疏冰涂层可以削弱冰在材料表面的附着强度，使材料表面难以形成大的冰晶，这种材料包括聚四氟乙烯（PTFE）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。此外，从原理上来看，冰的形成少不了水分子的参与，如果通过对材料表面的调控，让水难以在表面停留，是不是就可以防止结冰呢？
荷叶的疏水效应
（图片来源：veer图库）
这种材料在现实中确实存在，那就是超疏水材料，具有类似荷叶的疏水性能，比如冲锋衣等防水织物表面的疏水材料涂层。该类材料一般具有特殊的微纳米表面结构和经过低表面能的化学修饰，不仅可以延缓水在冷凝过程中的成核与液滴生长，还可以干扰冰的成核和冰锋的生长。
含有疏水涂层的衣物
（图片来源：veer图库）
黑色也是材料被动防止结冰的保护色。在生活中，有一种防止结冰的方法是将物体表面涂成黑色，由于黑色的吸光吸热特性，在太阳光照射时，材料表面的温度升高，抑制了冰的形成。
主动除冰，给冰的融化加加速
主动除冰是材料表面形成冰层后的补救措施，主要有加热法、化学法和机械法。与被动防冰的方式相比，主动除冰通常需要额外的能量输入。
飞机表面的冰锥
（图片来源：veer图库）
加热法的热源为热气流或电加热，热气流通过鼓风装置将热气在被除冰物体的内部或表面循环，相当于给设备配上“暖风系统”。而电加热法则是利用通电状态下导电材料发热的特性，给物体表面盖上“电热毯”，将表面的冰通过升温的方式去除。
化学法是通过化学试剂的添加，降低水的冰点，使冰重新溶解成水。这类化学试剂有氯盐型、硝酸盐型、甲醇、乙醇等。化学法除冰在日常生活中应用较为广泛，例如在面积较大的道路除冰时，化学法的可行性更高。
结冰路面撒盐
（图片来源：veer图库）
机械法是除冰效率较高的方法，包括人工除冰和机械除冰两种。随着无人机技术的发展，机械除冰法也越来越多样化。例如在无人机上安装压缩气体的设备，利用压缩气体冲击风力发电叶片表面的冰层，可以使冰层破裂达到除冰的目的。
神奇的涂层，集被动防冰与主动除冰于一身
超疏水涂层已成为防止物体结冰最有前景的策略之一，但该方法只能延缓结冰，并不能完全阻止结冰。主动除冰的方法在除冰作业中较为可靠，但是过程中消耗大量的能量（电能等）或者涉及到化学试剂的使用，对环境带来极大的影响。那么，是否可以在不输入能量的前提下，同时实现被动防冰与主动除冰呢？
2024年11月7日，中国科学家在国际高水平杂志《自然-通讯》上发表了一篇关于“光热超疏水涂层”的文章，利用超疏水和光热效应结合的策略，实现材料的防止结冰和主动除冰。
研究成果发表于《自然·通讯》杂志
研究者利用凹凸棒石（具有大比表面积和吸附能力的材料）为基础材料，在其表面生长具有优异光热特性的MOFs（金属有机框架化合物），并且进行疏水改性，最后将其分散在SiP粘结剂中，制备了一种微纳米结构的光热超疏水涂层。
光热超疏水涂层的制备原理图
（图片来源：参考文献[1]）
在被动防结冰方面，光热超疏水涂层具有高接触角（165.5°）和低滑动角（1.8°），降低了水在材料表面的附着性，具有“滴水不沾”的特性。实验结果表明，将10微升的水滴从1厘米的高度滴在该涂层上时，水滴可在涂层表面弹跳13次，弹跳高度达到3.7毫米，实现静态和动态双重超疏水特性。
a. 水滴在光热超疏水涂层表面的接触角；b. 水滴在超疏水涂层表面弹跳的图片；c. 液滴从涂层表面抬起时的受力图；d-e. 涂层表面滑动角与时间和温度的关系图；f. 液滴在涂层表面滚动图
（图片来源：参考文献[1]）
在主动除冰方面，该涂层在300-2500纳米的光波长吸收率为97.32%，具有优异的光热效应。在25.4摄氏度、38%相对湿度和1个太阳光照强度环境下，涂层表面的温度从室温升高到101摄氏度仅需8分钟。在零下10摄氏度、80%相对湿度和0.1个太阳光照强度环境下，涂层表面温度经过1.6分钟就可以达到0摄氏度以上，并且在8.2分钟后表面的冰层开始脱落。
该研究还发现，这种涂层不仅能够防冰除冰，还能防霜除霜。在0.1个太阳光强度下，裸露电缆线表面覆盖的霜经过60分钟没有明显融化的迹象，而涂覆涂层的电缆线表面覆盖的霜经过20.5分钟已经完全融化。
经过涂层涂覆后的线缆和风扇叶片，表面霜冻融化速度对比
（图片来源：参考文献[1]）
这种涂层现在能用上吗？
光热超疏水涂层的涂覆工艺简单，只需将含有活性组分的悬浮液喷涂在物体表面，经过室温固化即可完成涂覆。该涂层在尺寸为100cm×50cm的大面积涂覆性能已经得到验证，与实验室小尺寸的性能接近。
据介绍，这种涂层悬浮液每天的产量可以达到50升，每升悬浮液可满足6-8平方米涂覆面积的使用，价格为6.1-8.1美元/平方米。未来，这种涂层有望在线缆、风机、无人机等领域应用，不仅能够减少主动除冰能源的消耗，还可以降低维护的成本。我们期待这种材料尽早得到应用，减少除冰过程中带来的能源消耗和人力消耗。
参考文献：
[1] Mao, M., Wei, J., Li, B. et al. Scalable robust photothermal superhydrophobic coatings for efficient anti-icing and de-icing in simulated/real environments[J]. Nat Commun, 2024.
[2] Wang, L. et al. Robust anti-icing performance of a flexible superhydrophobic surface[J]. Adv. Mater, 2016.
[3] Rekuviene R, Saeidiharzand S, Maeika L, et al. A review on passive and active anti-icing and de-icing technologies[J]. Applied Thermal Engineering, 2024.
[4] 樊雅丽,盛竟茹.浅析结冰对飞机的危害及预防措施[J]. 黑龙江科技信息, 2015.
[5] 马薇.新型高效除冰剂的开发研究[D]. 天津科技大学, 2003.
作者简介
作者：十一，物理化学博士。
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