科普：防冰涂层的作用——去冰，再也不怕冬天路滑了。

又一个冬季来临了。早上，你顶着凛冽的寒风摆脱家门口，提前准备飞抵异地拜访一位关键的顾客。外出没走有多远，你也就狠狠地摔倒在地——楼窗的人行横道上不知道何时结了一层冰。你挣脱着站立起来，幸运自身身子骨牢固，摔了一跤并无影晌，但昨天晚上刚洗干净的衣服裤子却从此“费用报销”。

回家了再次换好衣服裤子，你提心吊胆地来到地下停车场，正打算启动车辆，却郁闷地发觉车汽车挡风玻璃上涵盖着很厚的一层冰。如果你已经把车里的冰面清除整洁时，间距此前的考虑時间早已过去一个多钟头。

担忧错过了飞机航班的你匆匆忙忙赶往飞机场，发觉办理托运还未开始，内心的一块石头总算落了地。殊不知迅速你也就开心不起来了：因为飞机跑道和飞机机翼结冻比较严重，飞机航班很多耽误，假如因而不可以如期见面，危害了企业的买卖，你我也不知道怎样向领导交待呢。

这般“祸从天降”的情景也许有一些浮夸，但结冻给大家日常生活的各个方面产生许多麻烦，乃至导致明显的财物和伤亡事故，则是不争的事实。如在2008年产生在中国南方地区各省市的极端天气中，很多的电缆线、塔杆等因结冻承受不住而坍塌，导致了明显的能源供应和通讯中断等。

恰好是由于冰冻对人们日常生活产生的严重危害，每到冬天到来，维护主要的固态表层免遭这种“闯入者”的困惑一直尤为重要的每日任务。

现阶段的融冰或防冰方式无非下列几类：用单纯性的机械设备力将冰面砸碎消除；加温固态表层使冰融化；喷撒盐、醇等化合物来减少水的凝固点等。

这种被称作“积极防冰”的方式尽管切实可行，但缺点也很显著：机械设备融冰费时费劲，并且作业者还会继续遭遇潜在性的风险，比如从高空滑掉或是跌伤。在2008年的南方雪灾中，湖南的周景华、罗长明、罗海文三位电力工程员工便是因为在为电力线路塔杆融冰全过程中塔杆忽然坍塌而悲剧光辉牺牲；加温固态表层必须很大的电力能源资金投入；而运用化学药品融冰则有可能造成地表径流和水资源遭受环境污染。

因而，近几年来，大家明确提出了一个全新升级的设想：能不能设计方案那样一种固态原材料，它的表层即使沒有人为因素的干涉，曝露在较低温度下也不会粘附冰面，进而一劳永逸地处理结冻产生的诸多苦恼？

这就是所说的“处于被动防冰”方式。

这一总体目标初听起來好像天方夜谈，但假如具体分析一下却会发觉实际上并不是彻底不太可能。自然，在逐渐设计方案这类原材料前，大家一方面需要搞清楚，好好的固态表层为何突然之间就粘附了很厚的一层冰呢？

超疏水表层：向冻雨说不？

导致固态表层结冻的在其中一种缘故是冻雨。冻雨是十分让人烦恼的一种洪涝灾害。2008年给在我国南方地区导致比较严重工作人员和经济损失的极端天气中，有许多损害就来源于冻雨产生的冷冻。产生冻雨时，溫度小于0 oC的水珠，即说白了低温水珠，从上空下降，碰到固态表层便会快速结冻。

那麼假如过凉滴下地固态表层后，在还不等他凝结以前就快速流出去，不就有可能完成绝不结冻的总体目标了没有？

Part.1

向菏叶“西天取经”——

外部经济构造和果蜡遮盖的强强联手

带上这一总体目标，科学研究工作人员到自然界中找寻设计灵感，她们迅速注意到一个非常值得仿效的目标：菏叶。

如果我们认真观察便会发觉，落在菏叶上的水珠不但一直会维持球型，并且当微风吹过，叶面稍有偏斜时，水珠迅速便会滚下来。反过来，落在夹层玻璃上的水珠不但会铺展开，并且仅有大家大幅偏斜夹层玻璃时，水珠才会流下来。

那麼菏叶表层到底有哪些奥秘呢？要回应这个问题，大家必须先来认识好多个基本要素。

在我们把一滴水放到固态表层处时，水珠的重能力会迫使出液在液体表层铺展开产生一层很薄的附面层。但决策出液运势的也有此外二种关键的能量：最先是水分与固态表层分子结构中间的分子间作用力，它和重能力相近，会促使水在液体表层铺展开；次之是水分中间的分子间作用力，它的实际效果恰好反过来，它会促使水珠尽可能维持原来的球型。

当水珠容积充足钟头，重能力的效果可以忽略，而水分中间的相互作用力也固定不动不会改变，因而水珠在液体表层“如何选择”关键在于固态分子结构与水分中间的功效力的大小。假如这类相互作用力充足强，那麼水就会在液体表层铺展开，大家称之为水可以侵润固态，而相匹配地，这种固态被称作亲水性表层；反过来，假如非均相分子结构中间的相互作用力比较弱，水就会趋向于在液体表层维持球型，大家称之为水不可以侵润固态，而固态则被称作亲水性表层。

要想明确一种固态表层亲水性或是疏水的用途多强，我们可以测量出液边沿与固态表层间的交角，即通常所指的表面张力。可以看出，当水珠在液体表层彻底铺展开时，表面张力应是0o，而假如水珠彻底维持球型，表面张力则应是180o。 因而，表面张力越大，表明固态疏水性越强。

水在亲水性、亲水性和超疏水界面上的触碰角的比较。

显而易见，要想提升表层的防冰实际效果，提高固态表层的疏水性是一个很肯定的挑选。

要完成这一点，大家第一步要调节固态表层的化学结构，消弱非均相分子结构中间的分子间作用力。在普遍的固态原料中，塑胶、塑胶等有机高分子原材料的疏水性通常要好于金属材料及其瓷器、夹层玻璃等功能材料原材料，而带有氟、硅等因素的纤维材料也是拥有无法比拟的亲水性工作能力。比如赫赫有名的聚四氟乙烯，也就是常常被用以不粘锅涂层的特氟龙，水在其外表的表面张力在130o上下。

殊不知水在菏叶表层的表面张力可以轻轻松松超出150o。显而易见，菏叶的亲水性工作能力依然比聚四氟乙烯高于一大截。这类差别到底源自哪里？

当专家将菏叶表层放进透射电镜下观查时，总算解开了谜面：菏叶的表层并不是光洁，反而是铺满了很多直徑、相对高度和间隔都仅有十几到几十微米的小柱子。

实际上，恰好是这种不光滑高低不平的外部经济构造让菏叶具备较强的亲水性工作能力。那麼这身后到底是什么大道理呢？

我们知道，假如忽视重能力，那麼水珠半空中应当产生极致的球型。这是因为如果我们把气体也当做一种固态，那麼水在它表层的表面张力应该是180o，换句话说，气体有着比其他全部固态都强的疏水性。

当一滴水落在菏叶表层处时，因为外部经济结构特征的限定，水珠没法渗入进在其中的室内空间，因而水珠表层有一部分会与气体这类极为亲水性的“固态”相触碰。而菏叶表层遮盖着一层果蜡，它自身也是有很好的亲水性工作能力。因而二者“强强联合”的結果，便是菏叶表层展示出很强的亲水性工作能力。不仅如此，疏水性的提升还产生了另一份“豪礼”，那便是水珠流动性时所受的滑动摩擦力也随着减少。像菏叶那样的表层，不但固态稍有偏斜出液便会滚下来而下。并且当高空落下来的出液撞到表层处时，也有也许再度弹起来[1-4]。

Part.2

超疏水表层：优点和局限性共存

了解了菏叶的小秘密后，专家如出一辙，将外部经济构造引进规范的亲水性表层中，进而促使固态的吸水功效更上一层楼，获得了人们通常所指的“超疏水表层”。

怀着着希望，专家对超疏水表层的防冰工作能力开展了检测，的确也取得了一些比较满意的結果。比如在2010年的一项科学研究中，过凉滴下到一般亲水性乃至亲水性表层上都是会快速结冻，但落到超疏水表层却会快速弹回，进而让固态表层不会受到结冻的困惑[5]。

过凉滴下在歪斜的超疏水表层（图C）之后会快速弹起来，进而促使固态表层长期维持不结冻情况；反过来，基本的亲水性表层（图A）和亲水性表层（图B）在同样情况下都是会快速被冰面遮盖。最下图为透射电镜下见到的超疏水界面上的外部经济构造，尺标为10μm。（图片出处：论文参考文献[5]）

但迅速，科学研究工作人员就疑惑地发觉，在后面的一些检测中，超疏水表层却经常“败走麦城”，其防冰工作能力并不比一般的固态表层强过多。怎么会发生这类问题的情形呢？

刚刚大家提及，超疏水表层可以防冰的重点在于落到表层上的出液在还有机会结冻以前就快速弹回，但许多状况下，要实现这一点并非那样非常容易。比如刚刚提及那项科学研究中，专家就发觉，伴随着溫度减少，水的比重提升，落到固态表层之后就有可能没法立即弹起来，反而是像一般表层一样结冻[5]。

此外，假如雨珠碰撞表层时的速率过快，或是空气相对湿度较高时造成水蒸气立即在液体表层凝固，还会继续出现另一种更加槽糕的状况，那便是撞到固态表层的低温水珠得到进到外部经济结构特征中间本来由气体占有的孔隙度。这时尽管水珠在液体上的表面张力依然可以贴近180o， 但水珠流动性时的滑动摩擦力却大大增加，因而当固态偏斜时，出液不会再是快速流下来，反而是“恋恋不舍”地留到固态表层[4]。不难想象，当冻雨来临时性，那样的表层不但难以具有防冰实际效果，并且因为不光滑高低不平的表层提升了冰和固态中的黏附力，表层上的冰反倒更为无法消除。

一旦超疏水表层产生了冰面，大家通常迫不得已根据机械设备力等技术手段将其消除，而这极有可能导致一个始料不及的結果，那便是其外表的外部经济构造在融冰全过程中遭到一部分毁坏，这一样可以促使水珠进到外部经济结构特征中间的间隙，造成其防冰工作能力受到非常大影响。比如有研究表明，超疏水表层通过20次以内的结冻-融冰循环系统后，表层与冰面中间的黏附力便会明显提升[6]。

恰好是因为超疏水表层在防冰融冰运用中的局限，近几年来，科学研究工作人员逐渐将专注力转换到另一种种类的表层构造，而这类构造一样是来自于自然界的启迪，那便是知名的食虫植物猪笼草。

来源于：中国科普博览

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