清華新聞網(wǎng)8月21日電 超疏水表面在防冰領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力，但在低溫、高濕及動(dòng)態(tài)沖擊條件下難以維持Cassie-Baxter態(tài)的問(wèn)題，嚴(yán)重限制了其實(shí)際應(yīng)用。清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料加工研究中心鐘敏霖、范培迅團(tuán)隊(duì)近期開(kāi)發(fā)了一種金屬倒角超疏液結(jié)構(gòu)，通過(guò)微米級(jí)T型柱陣列與密集的納米線(xiàn)構(gòu)建多級(jí)倒角結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)納米效應(yīng)與倒角效應(yīng)的協(xié)同強(qiáng)化。這種金屬倒角結(jié)構(gòu)兼具穩(wěn)健的Cassie-Baxter狀態(tài)與增強(qiáng)的防冰性能，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。
倒角結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是超疏水表面研究中的一個(gè)里程碑進(jìn)展。憑借獨(dú)特的懸垂幾何特征，倒角結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較高的拉普拉斯壓力，從而顯著增強(qiáng)界面穩(wěn)定性以及抵抗液體滲透的能力。這種獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從單一倒角向多級(jí)倒角（如雙重/三重倒角、分支倒角以及多種雖非嚴(yán)格設(shè)計(jì)但具有凹入曲率特征的新型構(gòu)型）演化。與傳統(tǒng)超疏水表面依賴(lài)減小固液接觸面積的策略不同，倒角結(jié)構(gòu)通過(guò)懸垂設(shè)計(jì)不僅提升了Cassie-Baxter態(tài)穩(wěn)定性，更借由增加固相占比顯著強(qiáng)化了耐久性。然而，當(dāng)前研究集中于倒角結(jié)構(gòu)在室溫下的基礎(chǔ)拒液性和液滴操控行為，其在防冰方面是否仍?xún)?yōu)于非倒角結(jié)構(gòu)，尤其是低溫環(huán)境中Cassie-Baxter態(tài)維持能力與冰粘附特性尚未揭示。此外，在金屬等工程材料表面原位制備一體化倒角結(jié)構(gòu)目前仍缺少有效的技術(shù)方案，限制了對(duì)于倒角結(jié)構(gòu)的深入研究及其實(shí)際應(yīng)用。設(shè)計(jì)制備金屬表面倒角結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)評(píng)估其防冰性能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)工程材料表面的穩(wěn)健防冰具有重要指導(dǎo)意義。
為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了金屬表面獨(dú)特的倒角結(jié)構(gòu)并開(kāi)發(fā)了在金屬表面直接制備倒角結(jié)構(gòu)的新方法。該設(shè)計(jì)具有獨(dú)特的功能互補(bǔ)體系：微米T型結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)超疏液特性和耐壓性；表面生長(zhǎng)的納米結(jié)構(gòu)作為次級(jí)能量勢(shì)壘，通過(guò)多尺度效應(yīng)進(jìn)一步提升綜合性能；微米結(jié)構(gòu)同時(shí)作為生長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械框架，為納米結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。對(duì)微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)，可以獲得性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
圖1.倒角結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)路線(xiàn)簡(jiǎn)圖
圖2.材料學(xué)院所設(shè)計(jì)制備的倒角結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的疏冰性與抗冰釘性能
研究團(tuán)隊(duì)對(duì)基于上述原則設(shè)計(jì)制備的倒角結(jié)構(gòu)的防冰性能進(jìn)行了全面系統(tǒng)評(píng)估，證明了其在低溫下具有優(yōu)異的Cassie態(tài)穩(wěn)定性和防冰性能：不僅具有高達(dá)1665Pa的臨界拉普拉斯壓力，而且展現(xiàn)出迄今為止最長(zhǎng)的延遲結(jié)冰時(shí)間、超低冰粘附強(qiáng)度以及非凡的疏冰耐久性。液滴在-17℃和70%相對(duì)濕度的條件下保持不結(jié)冰超過(guò)600分鐘，直至完全蒸發(fā)。初始冰粘附強(qiáng)度低至1.6kPa，并在長(zhǎng)達(dá)100次的除冰循環(huán)后＜25kPa。此外，在結(jié)融化循環(huán)實(shí)驗(yàn)中該倒角結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生從Wenzel態(tài)到Cassie態(tài)的自發(fā)去濕轉(zhuǎn)變。為了揭示其增強(qiáng)防冰性能的作用機(jī)制，團(tuán)隊(duì)通過(guò)原位觀(guān)測(cè)結(jié)冰過(guò)程的三相界面運(yùn)動(dòng)及能量分析，證明了其表面的液滴優(yōu)先固定在微結(jié)構(gòu)蓋子的下角處，該行為協(xié)同提升了熱力學(xué)能量勢(shì)壘與結(jié)構(gòu)阻力，從而確保了更高的Cassie態(tài)穩(wěn)定性和更好的抗冰釘性能。該研究工作不僅驗(yàn)證了倒角結(jié)構(gòu)在低溫下的有效性，更通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備工藝的創(chuàng)新，為構(gòu)建高穩(wěn)定性的防冰表面建立了新思路。
圖3.清華材料學(xué)院所設(shè)計(jì)制備的倒角結(jié)構(gòu)的全面性能評(píng)估及維持有效防冰性能的臨界條件
相關(guān)研究成果以“穩(wěn)健防冰的倒角超疏液金屬結(jié)構(gòu)”（Re-entrant Super-Repellent Metallic Structures for Robust Anti-Icing）為題，于8月19日在線(xiàn)發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）。
該工作由清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成。清華大學(xué)材料學(xué)院2022級(jí)博士生李代洲為論文第一作者，材料學(xué)院教授鐘敏霖和助理研究員范培迅為論文通訊作者。論文作者所在單位為清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料加工研究中心、先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和清華大學(xué)（材料學(xué)院）-航空工業(yè)氣動(dòng)研究院先進(jìn)材料與防除冰技術(shù)聯(lián)合研究中心。
研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃項(xiàng)目和防除冰技術(shù)聯(lián)合研究中心項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202508272
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：郭玲
