除了撒鹽,還有哪些除冰的方法?

伴隨着降溫,新一輪的寒潮天氣來了。早晨頂着寒風出門,不僅要做好保暖,還要時刻擔心腳下的路面有沒有結冰,否則分分鍾馬路變冰場,而在冰上狼狽「起舞」的,不是冰刀小王子,而是還沒睡醒的你自己。

結冰給我們生活的方方面面帶來諸多不便,因此,除了機械破冰、加熱融化、撒鹽化冰等主動防冰手段,人們提出了一個全新的構想:能否設計這樣一種固體材料,它的表面即使沒有人為的干預,暴露在低溫下也不會附着冰層,從而一勞永逸地解決結冰帶來的種種煩惱?也就是所謂的「被動防冰」。

這一目標初聽起來像是天方夜譚,但事實上,還真可行。

優劣並存的超疏水材料:

想防冰先向荷葉學習

自然界中,落在荷葉上的水滴不僅總是會保持球形,而且當微風吹過,葉片略有傾斜時,水滴很快就會滾落。這是因為荷葉的表面布滿了許多直徑、高度和間距都只有十幾到幾十微米的小柱子,這些粗糙不平的微觀結構讓荷葉具有極強的疏水能力。

如果能讓材料像荷葉一般「疏水」,水滴落到固體表面後,還沒來得及凝固之前就會迅速流走,那麼不就有可能實現永不結冰的目標了嗎?

2010年的一項研究驗證了這一猜想,過冷水滴落到普通親水甚至疏水錶面上都會迅速結冰,但落到超疏水錶面卻會迅速彈開,從而讓固體表面不受結冰的困擾。

除了撒鹽,還有哪些除冰的方法?

過冷水滴落在傾斜的超疏水錶面(圖C)上後會迅速彈起,從而使得固體表面長時間保持不結冰狀態;相反,常規的親水錶面(圖A)和疏水錶面(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錶面上的微觀結構,標尺為10微米。圖片來源:參考文獻[5]

不過,由於水的粘度會隨着溫度降低而增加,落到固體表面上後就可能無法及時彈起,而是像普通表面一樣結冰。同時,如果雨滴撞擊表面時的速度過快,或者環境濕度較高時導致水蒸氣直接在固體表面凝結,還會使得過冷水滴進入微觀結構之間原本由空氣占據的孔隙。

這樣的表面不僅很難起到防冰效果,而且由於粗糙不平的表面增加了冰和固體之間的黏附力,表面上的冰反而更加難以清除,無疑是雪上加霜。

因此,超疏水錶面在防冰除冰的應用中,並不是最優解。

從「滾」到「滑」:這次學學豬籠草

眾所周知,豬籠草通過籠頂部的蜜腺和光滑的籠內壁誘捕獵物。

為什麼豬籠草的內壁這麼絲滑?有些豬籠草擁有光滑的蠟質,而有些豬籠草內壁的表面則布滿許多微觀結構。這些看不見的「孔洞」使得內壁表面能夠較長時間地被雨水覆蓋,保持光滑的效果。因此落入捕籠的昆蟲在內壁上站立不穩,也就很難逃出生天。這樣的表面,科學家們稱之為「液體浸潤多孔光滑表面」,簡稱為SLIPS 。

受豬籠草的啟發,研究人員開始嘗試人工建造SLIPS表面,並且很快發現,這種具有非凡本領的表面可以由超疏水錶面經過簡單的「升級」而來——直接在超疏水錶面塗上特殊的液體就可以了。

布滿微觀結構的超疏水錶面雖然滴水不沾,卻和一些含氟的液態有機物「志趣相投」,可以被後者浸潤。因此,如果把這些液體塗到超疏水錶面,它們就可以長久地呆在那里,不會流走。

由於水既不能浸潤超疏水錶面,也無法與這些含氟的液體互溶,因此只能停留在表面上,而表面由於含氟液體層的存在非常光滑,所以只要我們稍稍傾斜,水滴就會滑落而下。

固體表面猶如光滑的豬籠草內壁,水滴就像誤入陷阱的獵物,連站都站不穩腳跟,又該如何結冰呢?顯然,在低溫天氣下,這樣的表面能夠有效阻止冰層的形成。

2012年的一項研究發現,在低溫下,隨着時間的推移,當傳統的超疏水錶面也堅持不住開始出現結冰時,SLIPS表面的大部分區域仍然保持初始狀態,彰顯了這一類表面的威力。

除了撒鹽,還有哪些除冰的方法?

將普通的鋁的表面(上)經過處理轉化成SLIPS表面(下)後,低溫下固體表面結冰的過程大大延緩。即便最終冰仍然會在SLIPS表面形成,升溫後也較為容易除去。(圖片來源:參考文獻)

雖然SLIPS表面與超疏水錶面相比,具有一定的自我修復能力,且由於使用的液體沸點較高,不會像水那樣在使用過程揮發殆盡,但是,一些研究仍然表明,SLIPS表面中起潤滑作用的液體會在結冰-除冰的循環中不斷流失。

當這些起到潤濕作用的液體消耗殆盡時,SLIPS表面就會退化成超疏水錶面,而使用者也不得不面對後者的弊端。

用水來抗冰?科學家將天方夜譚變為現實

針對上文的問題,來自我國的研究人員對SLIPS表面進行了改造,不再使用有機物液體,而是改用水來浸潤固體表面。

他們在常規的固體表面塗上一層具有吸濕性的高分子材料。由於這一層高分子材料的存在,空氣中的水汽很容易凝結到固體表面,形成一層薄薄的水膜。就像鹽水比純水需要更低的溫度才能結冰一樣,溶解了高分子材料的水膜,其凝固點也顯著降低,可以在-25 oC的低溫下仍然保持液態。

簡單來說,就是在冰和固體之間建造一道水膜屏障。由於水膜的潤滑作用,冰層和固體之間的黏附作用相當微弱,我們只需要很小一點力就可以將冰層清除。

這項研究實際上標志着致力於表面防冰研究的科學家們開始調整思路,不再關注於如何防止固體表面結冰,而是轉向研究如何使固體更易除冰。

2019年發表在《科學》上的一項研究中,來自美國密歇根大學的研究人員發現,如果將固體表面的韌性控制在一定程度以下,達到所謂「低界面韌性表面」,當固體長度超過一個很小的臨界值後,長度繼續增加,固體與冰層之間的作用不再隨之增加,而是趨於恆定且較低的程度。而且與前面提到的若干防冰表面不同,這種表面不需要特殊的物理或者化學結構,只需通過降低常規塗層厚度和向塗層中添加增塑劑等簡單的辦法就可以實現。

也就是說,只要在固體表面塗上一層特殊的塗層,就可以起到輕松除冰的效果。

這種固體表面雖然乍一看不像超疏水錶面和SLIPS表面那樣能夠阻止冰層的形成,在實際操作中,它的防冰效果可能反而要大大優於前二者呢。

除了撒鹽,還有哪些除冰的方法?

圖A:「低界面韌性表面」的防冰效果既優於普通的固體表面(左),也超過了傳統的防冰表面(中);圖B:用低界面韌性表面塗層處理後的鋁板在室外的防冰測試。 (圖片來源:參考文獻) 

這一系列新的研究的問世,表明科學家們對於表面防冰除冰的認識不斷深入。當然,這一領域還存在的不少有待解決的難題,開發持續耐久、且在各種條件下都能較好防止冰層形成的表面仍然是一個不小的挑戰。不過相信隨着材料學的進步,我們在冬季會越來越少地受到結冰的困擾。

來源:cnBeta