防冰材料零下20℃不结冰


  这项发现已被在线报道,就在《英华纳米》杂志网站11月9日,这项发现可能带来一种新的技术,可以保持飞机机翼、建筑物、输电线乃至整个公路不结冰,就是在最恶劣的冬天也是这样。此外,把抗冰技术整合到一种材料中,会更有效,更可持续,胜过常规方案,比如化学喷剂、撒盐和加热。

  研究小组牵头的是乔安娜·艾曾贝格(Joanna Aizenberg)和艾米·史密斯·百里尔森(Amy Smith Berylson),他们是哈佛大学工程及应用科学学院((SEAS))教授, 也是哈佛大学维斯仿生工程研究所(Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)的核心会员,他们的研究集中在预防而不是消除冰的堆积。

  “我们想要采取完全不同的手法来设计材料,可以从根本上预防冰的形成,这需要排斥水滴,”艾曾贝格说:“从过去的研究中,我们已经认识到,冰的形成并不是静态的活动。关键的方法,是研究整个动态过程,就是水滴怎样挤压并冻结在一个超冷的表面。”

  为了寻找最初的灵感,研究人员转向一些优雅的解决办法,就是在自然界所见的。例如,蚊子可以使它们的眼睛除去雾水,水黾使它们的腿总是干的,这是因为有一个阵列的微小刺毛,就可以排斥少滴,这是因为可以减少每个水滴所接触的表面积。

  “冻结始于水滴于表面的碰撞,”艾曾贝格解释道,“但是,所知甚少的是,在水滴在低温下接触表面时发生了什么。”

  单颗水滴碰撞倾斜表面的动态特性。为了详细理解这一过程,研究人员观看了高速视频中极冷的水滴撞击表面的情形,视频的制作仿造的那些情形,都是在自然界中发现的。他们看到,冷水滴撞击纳米结构的表面时,它首先是散开,但是,随后的过程中,变化就是朝着相反的方向:水滴收缩,形成球面形状,并且反弹回表面,在这之后,它们就没有机会结冰了。

  相比之下,光滑表面上,没有结构属性,水滴会保持散开状态,最终冻结。

  “我们制造表面,采用各种几何形状与特征尺寸的刺毛、叶片以及互联模式,比如蜂窝状和砖块状,以便测试和理解各个参数,这对优化是很关键的,李迪亚·米奇可(Lidiya Mishchenko)说,他是艾曾贝格实验室的研究生在,也是文章的第一作者。

  使用这样精确设计的工程材料,研究人员就可模仿撞击中的水滴的动态属性,有惊人的清晰度,这使他们有更好的设计,便于制造防结冰的材料。

  另一个重要的益处,对于测试各种各样的结构而言,Mishchenko补充说,就是它可以让研究小组尽可能优化以适应压力结构。他们发现,这种结构包含相互联结的模式,很理想,适用于稳定的、排斥液体的表面,可以经受高冲击的水滴撞击,比如雨中驾车碰到的雨滴,或飞机飞行中碰到的雨滴。

  这些纳米材料阻止结冰,甚至温度低至摄氏零下25到30度时也是这样。低于这样的温度时,由于接触面积减少,就可防止水滴从完全润湿表面,任何冰块形成都不会粘得很牢,这就更容易去除,不像那种坚固的冰盖,那种冰盖是结在平坦的表面。

  “我们看到,这种方法是一种根本的转变,是一种急需的抗结冰技术,”艾曾贝格说:“从概念上说,无摩擦表面可以偏转过冷的水滴,使冰核集结甚至不会发生,这不仅仅是一种理论或原理循证的实验。我们已经开始测试这一有前景的技术,是在实际环境中实地测试的,目的在于提供一个通用的框架,优化这些功能强大的防结冰表面,这些表面有着广泛的应用,其中每一种都有一系列具体的性能要求。”

  比较传统的防冰除冰方法,比如撒盐或加热,纳米材料高效、无毒、环保。此外,当化学品用来给飞机除冰时,举例来说,化学品就会被冲进入周围环境,它们的处置必须仔细监管。同样,盐撒在公路上,会带来腐蚀和排泄等问题,影响当地水源。

  研究人员希望,随着进一步理解冰的形成过程,一种新型的涂料会直接集成多种多样的材料,很快就会被开发出来,并商业化。