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  結(jié)冰問題長(zhǎng)期困擾人類生活與工業(yè)生產(chǎn)，生物啟發(fā)的超疏水表面為無能耗防除冰提供了可能，但其有限的Cassie態(tài)穩(wěn)定性制約了超疏水防除冰表面的實(shí)際應(yīng)用。清華大學(xué)激光材料研究中心鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)近期報(bào)道了一種雙能壘高穩(wěn)定性超疏水結(jié)構(gòu)的激光制備方法。在原有Cassie狀態(tài)過渡至Wenzel狀態(tài)的單能壘基礎(chǔ)上，通過雙重復(fù)合微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人為地引入第二Cassie能壘，使其在熱力學(xué)上呈現(xiàn)出雙能壘的Cassie狀態(tài)，極大地提高Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)的壁壘與難度，并且通過復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步同時(shí)提高雙能壘峰值，顯著提升Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性與防除冰性能，有望用于實(shí)際應(yīng)用。該研究以“Dual-Energy-Barrier Stable Superhydrophobic Structures for Long Icing Delay”為題發(fā)表于《ACS Nano》上。

  結(jié)冰現(xiàn)象對(duì)交通、通信、能源等諸多領(lǐng)域提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其對(duì)于高空飛行的飛機(jī)，數(shù)秒內(nèi)機(jī)翼形成的毫米級(jí)厚度的粗糙冰便可使飛機(jī)最大升力系數(shù)損失約30 %，若不及時(shí)除冰，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的慘劇。近年，因飛機(jī)機(jī)翼結(jié)冰而發(fā)生的空難時(shí)有發(fā)生，為保障飛行安全，目前廣泛采用熱力、氣動(dòng)等主動(dòng)式防除冰方法來進(jìn)行防冰與除冰。但該類方法通常存在能耗大、效率低等問題，并且難以應(yīng)用于氣象機(jī)、無人機(jī)等機(jī)型。因此，發(fā)展低能耗與無能耗被動(dòng)防除冰新技術(shù)具有重要的理論與應(yīng)用價(jià)值。

  受自然界荷葉不沾水現(xiàn)象的啟發(fā)，超疏水表面被認(rèn)為是最有望實(shí)現(xiàn)被動(dòng)無能耗防除冰應(yīng)用的技術(shù)之一。大量的研究表明，當(dāng)超疏水表面上呈現(xiàn)Cassie狀態(tài)時(shí)可以展現(xiàn)出極低的冰粘附強(qiáng)度、良好的延遲結(jié)冰時(shí)間以及液滴的動(dòng)態(tài)彈跳。然而，在實(shí)際的防除冰應(yīng)用中，超疏水表面受動(dòng)態(tài)沖擊、毛細(xì)冷凝、液體粘度增大、氣囊收縮與溶解等各類因素的影響，極易從熱力學(xué)Cassie亞穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel穩(wěn)定態(tài)，不僅造成防除冰性能的失效，甚至由于冰與微納結(jié)構(gòu)之間的機(jī)械互鎖效應(yīng)，使冰粘附強(qiáng)度大幅度增大，導(dǎo)致更易結(jié)冰、更難除冰等危害。為提高Cassie態(tài)穩(wěn)定性，避免轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)，目前通常采用在微米結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建微納復(fù)合多級(jí)體系的方法來提高表面Cassie態(tài)穩(wěn)定性。然而受制備方法對(duì)微納結(jié)構(gòu)可控性差、分析手段有限等方面的限制，有關(guān)表面微納結(jié)構(gòu)與防除冰性能之間的內(nèi)在機(jī)理，以及合理的高穩(wěn)定性超疏水防除冰表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍缺少系統(tǒng)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，導(dǎo)致有限的Cassie狀態(tài)穩(wěn)定性在結(jié)冰過程中仍難以避免轉(zhuǎn)變?yōu)閃enzel狀態(tài)，限制了超疏水表面進(jìn)一步的被動(dòng)防除冰應(yīng)用。