[科普中國]-雪后路面結(jié)冰？向荷葉學(xué)習(xí)如何除冰防冰

受冷空氣影響，剛剛過去的周末，全國多地氣溫驟降，并且迎來降雪。積雪結(jié)冰、道路濕滑，給交通出行增加了隱患。

在文章正式開始前，讓我們一起設(shè)想如下場景：

早晨，你頂著凜冽的寒風(fēng)走出家門，準(zhǔn)備飛赴外地拜見一位重要的客戶。出門沒走多遠(yuǎn)，你就重重地滑倒在地——樓外的人行道上結(jié)了厚厚一層冰。

你掙扎著站起來，慶幸自己身板結(jié)實(shí)，摔了一跤并無大礙，但昨晚剛洗干凈的衣服卻就此“報(bào)銷”。

**回家重新?lián)Q好衣服，你小心翼翼地走到停車場，正準(zhǔn)備發(fā)動汽車，卻懊惱地發(fā)現(xiàn)車擋風(fēng)玻璃上覆蓋著厚厚的一層冰。**當(dāng)你終于把車上的冰層清理干凈時(shí)，距離原定的出發(fā)時(shí)間已經(jīng)過去了半個(gè)多小時(shí)。

擔(dān)心錯過航班的你匆匆趕到機(jī)場，發(fā)現(xiàn)登機(jī)還未開始，心里的一塊大石頭終于落了地。然而很快你就高興不起來了：**由于機(jī)場跑道和飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰嚴(yán)重，航班大量延誤。**如果因此不能按時(shí)赴約，影響了公司的生意，你真不知道如何向上司交代呢。

代入感很強(qiáng)，是不是已經(jīng)開始“暴走”了呢？

圖片來源：Veer圖庫

除冰之路，道阻且長

**如此“禍不單行”的場景或許有些夸張，但結(jié)冰給我們生活的方方面面帶來諸多不便，甚至造成嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)和人員傷亡，卻是不爭的事實(shí)。**比如在2008年發(fā)生在我國南方各省的雪災(zāi)中，大量的電線、鐵塔等因結(jié)冰不堪重負(fù)而倒塌，造成了嚴(yán)重的電力供應(yīng)和通訊中斷等。

正是因?yàn)榻Y(jié)冰對人類生活帶來的嚴(yán)重威脅，每逢冬季來臨，保護(hù)重要的固體表面免受這些“不速之客”的困擾總是至關(guān)重要的任務(wù)。

目前的除冰或防冰方法無非以下幾種：

1.用單純的機(jī)械力將冰層敲碎破除；

2.加熱固體表面使冰融化；

3.噴灑鹽、醇等化學(xué)物質(zhì)來降低水的凝固點(diǎn)等。

**這些被稱為“主動防冰”的手段雖然行之有效，但弊端也很明顯：**首先，機(jī)械除冰費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且操作者還會面臨潛在的危險(xiǎn)，例如從高處滑落或者摔傷。在2008年的南方雪災(zāi)中，湖南省的周景華、羅長明、羅海文三位電力職工就是由于在為輸電線鐵塔除冰過程中鐵塔突然倒塌而不幸光榮殉職。其次，加熱固體表面需要不小的能源投入，而利用化學(xué)試劑除冰呢，則有可能導(dǎo)致地表徑流和地下水受到污染。

因此，近些年來，人們提出了一個(gè)全新的構(gòu)想：能否設(shè)計(jì)這樣一種固體材料，它的表面即使沒有人為的干預(yù)，暴露在低溫下也不會附著冰層，從而一勞永逸地解決結(jié)冰帶來的種種煩惱？

這就是所謂的“被動防冰”手段。

這一目標(biāo)初聽起來像是天方夜譚，但如果仔細(xì)分析一下卻會發(fā)現(xiàn)其實(shí)并非完全不可能。當(dāng)然，在開始設(shè)計(jì)這種材料前，我們首先需要明白，好端端的固體表面為什么突然就附著了厚厚的一層冰呢？

超疏水表面：向凍雨說不？

**造成固體表面結(jié)冰的其中一種原因是凍雨。**凍雨是非常令人頭疼的一種自然災(zāi)害。2008年給我國南方造成嚴(yán)重人員和財(cái)產(chǎn)損失的雪災(zāi)中，有不少損失就來自凍雨帶來的冰凍。發(fā)生凍雨時(shí)，溫度低于0°C的水滴，即所謂過冷水滴，從空中降下，遇到固體表面就會迅速結(jié)冰。

那么如果過冷水滴落地固體表面后，在還沒來得及凝固之前就迅速流走，不就有可能實(shí)現(xiàn)永不結(jié)冰的目標(biāo)了嗎？帶著這一目標(biāo)，研究人員到大自然中尋找靈感，他們很快注意到一個(gè)值得效仿的對象：荷葉

1.向荷葉“取經(jīng)”——微觀結(jié)構(gòu)和蠟質(zhì)覆蓋的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合

仔細(xì)觀察就會發(fā)現(xiàn)，落在荷葉上的水滴不僅總是會保持球形，而且當(dāng)微風(fēng)吹過，葉片略有傾斜時(shí)，水滴很快就會滾落。相反，落在玻璃上的水滴不僅會鋪展開，而且只有大幅度傾斜玻璃時(shí)，水滴才會流下。

荷葉上的水滴（圖片來源：維基百科）

那么荷葉表面究竟有什么奧妙呢？要回答這個(gè)問題，我們需要先來理解幾個(gè)基本概念。

當(dāng)我們把一滴水放在固體表面上時(shí)，水滴的重力會驅(qū)使液滴在固體表面鋪展開形成一層薄薄的液膜。但決定液滴命運(yùn)的還有另外兩種重要的力量：首先是水分子與固體表面分子之間的分子間作用力，它和重力類似，會使得水在固體表面鋪展開；其次是水分子之間的分子間作用力，它的效果剛好相反，它會使得水滴盡量保持原有的球形。

當(dāng)水滴體積足夠小時(shí)，重力的作用可以忽略不計(jì)，而水分子之間的相互作用力也固定不變，因此水滴在固體表面“何去何從”主要取決于固體分子與水分子之間的作用力的大小。如果這種作用力足夠強(qiáng)，那么水會在固體表面鋪展開，我們稱為水能夠浸潤固體，而對應(yīng)地，這些固體被稱為親水表面；相反，如果固液分子之間的作用力很弱，水會傾向于在固體表面保持球形，我們稱為水不能浸潤固體，而固體則被稱為疏水表面。

要想確定一種固體表面親水或者疏水的作用有多強(qiáng)，我們可以測定**液滴邊緣與固體表面之間的夾角，即通常所說的接觸角。**不難看出，當(dāng)水滴在固體表面完全鋪展開時(shí)，接觸角應(yīng)為0o，而如果水滴完全保持球形，接觸角則應(yīng)為180o。因此，接觸角越大，表明固體疏水性越強(qiáng)。

水在親水、疏水和超疏水表面上的接觸角的比較。

（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

顯然，要想提高表面的防冰效果，提升固體表面的疏水性是一個(gè)很自然的選擇。

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，我們首先要調(diào)整固體表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)，削弱固液分子之間的分子間作用力。在常見的固體材料中，塑料、橡膠等有機(jī)高分子材料的疏水性通常要優(yōu)于金屬以及陶瓷、玻璃等無機(jī)非金屬材料，而**含有氟、硅等元素的高分子材料更是有著超乎尋常的疏水能力。**例如大名鼎鼎的聚四氟乙烯，也就是經(jīng)常被用于不粘鍋涂層的特氟龍，水在其表面的接觸角在130o左右，然而水在荷葉表面的接觸角可以輕松超過150o。

顯然，荷葉的疏水能力依舊比聚四氟乙烯高出一大截。這種差距究竟來自何處？

當(dāng)科學(xué)家們將荷葉表面放到電子顯微鏡下觀察時(shí)，終于揭開了謎底：荷葉的表面并非光滑，而是布滿了許多直徑、高度和間距都只有十幾到幾十微米的“小柱子”。

事實(shí)上，正是這些粗糙不平的微觀結(jié)構(gòu)讓荷葉具有極強(qiáng)的疏水能力。那么這背后究竟是什么道理呢？

我們知道，如果忽略重力，那么水滴在空中應(yīng)該形成完美的球形。這意味著如果我們把空氣也當(dāng)成一種固體，那么水在它表面的接觸角應(yīng)該是180度，也就是說，空氣擁有比其它所有固體都強(qiáng)的疏水性。

當(dāng)一滴水落在荷葉表面上時(shí)，由于微觀結(jié)構(gòu)的限制，水滴無法滲透進(jìn)其中的空間，因此水滴表面有一部分會與空氣這種極其疏水的“固體”相接觸。而荷葉表面覆蓋著一層蠟質(zhì)，它本身也有不錯的疏水能力。因此二者“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手”的結(jié)果，就是荷葉表面展現(xiàn)出極強(qiáng)的疏水能力。**不僅如此，疏水性的增加還帶來了另一份“大禮”，那就是水滴流動時(shí)所受的摩擦力也隨之減小。**像荷葉這樣的表面，不僅固體稍有傾斜液滴就會滾落而下。而且當(dāng)高處落下的液滴撞擊到表面上時(shí)，還有可能再次彈起[1-4]。

2.超疏水表面：優(yōu)勢和局限并存

了解了荷葉的秘密后，科學(xué)家們?nèi)绶ㄅ谥?，將微觀結(jié)構(gòu)引入常規(guī)的疏水表面中，從而使得固體的疏水作用更上一層樓，得到了我們通常所說的“超疏水表面”。

滿懷著期待，科學(xué)家們對超疏水表面的防冰能力進(jìn)行了測試，確實(shí)也得到了一些令人滿意的結(jié)果。例如在2010年的一項(xiàng)研究中，過冷水滴落到普通親水甚至疏水表面上都會迅速結(jié)冰，但落到超疏水表面卻會迅速彈開，從而讓固體表面不受結(jié)冰的困擾[5]。

過冷水滴落在傾斜的超疏水表面（圖C）上后會迅速彈起，從而使得固體表面長時(shí)間保持不結(jié)冰狀態(tài)；相反，常規(guī)的親水表面（圖A）和疏水表面（圖B）在相同條件下都會迅速被冰層覆蓋。最右圖為電子顯微鏡下看到的超疏水表面上的微觀結(jié)構(gòu)，標(biāo)尺為10微米。（圖片來源：參考文獻(xiàn)[5]）

但很快，研究人員就困惑地發(fā)現(xiàn)，在后續(xù)的一些測試中，**超疏水表面卻常?！皵∽啕湷恰?，其防冰能力并不比普通的固體表面強(qiáng)太多。**為什么會出現(xiàn)這種矛盾的情況呢？

剛才我們提到，超疏水表面能夠防冰的關(guān)鍵在于落到表面上的液滴在有機(jī)會結(jié)冰之前就迅速彈開，但很多情況下，要做到這一點(diǎn)并不是那么容易。例如剛才提到那項(xiàng)研究中，科學(xué)家們就發(fā)現(xiàn)，隨著溫度降低，水的粘度增加，落到固體表面上后就可能無法及時(shí)彈起，而是像普通表面一樣結(jié)冰[5]。

另外，如果雨滴撞擊表面時(shí)的速度過快，或者環(huán)境濕度較高時(shí)導(dǎo)致水蒸汽直接在固體表面凝結(jié)，還會導(dǎo)致另一種更為糟糕的情況，那就是**撞擊到固體表面的過冷水滴得以進(jìn)入微觀結(jié)構(gòu)之間原本由空氣占據(jù)的孔隙。**此時(shí)雖然水滴在固體上的接觸角仍然可以接近180o, 但水滴流動時(shí)的摩擦力卻大大增加，因此當(dāng)固體傾斜時(shí)，液滴不再是迅速流下，而是“依依不舍”地留在固體表面[4]。

不難想象，當(dāng)凍雨來臨時(shí)，這樣的表面不僅很難起到防冰效果，而且由于粗糙不平的表面增加了冰和固體之間的黏附力，表面上的冰反而更難清除。

一旦超疏水表面形成了冰層，我們往往不得不通過機(jī)械力等手段將其清除，而這很有可能造成一個(gè)雪上加霜的結(jié)果，那就是**其表面的微觀結(jié)構(gòu)在除冰過程中遭受部分破壞，這同樣可以使得水滴進(jìn)入微觀結(jié)構(gòu)之間的空隙，**導(dǎo)致其防冰能力大打折扣。例如有研究表明，超疏水表面經(jīng)過20次左右的結(jié)冰-除冰循環(huán)后，表面與冰層之間的黏附力就會顯著增加[6]。

正是由于超疏水表面在防冰除冰應(yīng)用中的局限性，近些年來，研究人員開始將注意力轉(zhuǎn)移到其他類型的表面結(jié)構(gòu)，例如食蟲植物豬籠草等。

盡管向荷葉“取經(jīng)”后沒有得到一勞永逸的成果，但探索荷葉結(jié)構(gòu)的過程給了研究人員們許多啟發(fā)和經(jīng)驗(yàn)?？茖W(xué)總是在一次次嘗試中進(jìn)步的，未來也一定會有更多先進(jìn)的除冰防冰技術(shù)被開發(fā)，進(jìn)而造福人類。

參考文獻(xiàn)：

1.P. Zhang, F.Y. Lv, “A Review of the Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and the Emerging Energy-related Applications”, Energy, 2015, 82, 1068

2.Minglin Ma, Randal M. Hill, “Superhydrophobic Surfaces”, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2006, 11, 193

3.Thieery Darmanin and Frédéric Guittard, “Superhydrophobic and Superoleophobic Properties in Nature”, Materials Today, 2015, 18, 273

4.Michael J. Kreder et al. “Design of Anti-Icing Surfaces: Smooth, Textured or Slippery?”, Nature Review Materials, 2016, 1, 1

5.Lidiya Mishchenko, “Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets”, ACS Nano, 2010, 4, 7699

6.S. A. Kulinich et al. “Superhydrophobic Surfaces: Are They Really Ice-Repellent?”, Langmuir, 2011, 27, 25