清華新聞網(wǎng)1月20日電 自然界中荷葉具有出淤泥而不染的典型不沾水特性（學(xué)術(shù)上稱(chēng)為Cassie-Baxter狀態(tài)），具有自清潔、抗結(jié)冰、減阻、抗腐蝕等廣泛應(yīng)用價(jià)值，而玫瑰花瓣則具有水滴高粘附特性（稱(chēng)為Wenzel狀態(tài)），水滴牢牢粘附在表面上，通常起反作用，是需要極力避免的。但是，荷葉的Cassie狀態(tài)能量相對(duì)較高，往往會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰枯^低的玫瑰花瓣Wenzel狀態(tài)，使其失去自清潔功能，而Wenzel狀態(tài)通常不可能自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)镃assie狀態(tài)。Cassie狀態(tài)向Wenzel狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變是嚴(yán)重阻礙超疏水表面廣泛應(yīng)用的重大挑戰(zhàn)。
普遍存在于大自然的結(jié)冰現(xiàn)象給人類(lèi)的生活、生產(chǎn)帶來(lái)了很大的困擾，尤其是高空飛行的飛機(jī)，一旦其關(guān)鍵部位結(jié)冰會(huì)導(dǎo)致機(jī)毀人亡的慘劇。近些年，受荷葉超疏水現(xiàn)象的啟發(fā)，超疏水表面成為有望實(shí)現(xiàn)低能耗被動(dòng)防除冰的最具前途的方法之一。如果Wenzel狀態(tài)的液滴可以在結(jié)冰-融冰循環(huán)中自發(fā)性地恢復(fù)到Cassie狀態(tài)，那么再次結(jié)冰和冰積覆等問(wèn)題就可以有效地避免，對(duì)于涉及多次結(jié)冰與融冰過(guò)程的航空防除冰應(yīng)用具有重大的價(jià)值。
清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)在超快激光制備的特殊微納米結(jié)構(gòu)超疏水表面上，首次發(fā)現(xiàn)液滴可以在結(jié)冰與融冰循環(huán)中實(shí)現(xiàn)Wenzel狀態(tài)到Cassie狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變，澄清了轉(zhuǎn)變的機(jī)理，明確了轉(zhuǎn)變的三個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和形成條件。這一發(fā)現(xiàn)，對(duì)于潤(rùn)濕性理論研究尤其是超疏水表面的自清潔、抗結(jié)冰等廣泛應(yīng)用具有重要學(xué)術(shù)和技術(shù)價(jià)值。
圖1 超快激光和化學(xué)刻蝕制備的四種表面結(jié)構(gòu)及其粗糙度和疏水性
圖2 四種表面在結(jié)冰與融冰循環(huán)中液滴狀態(tài)、接觸線(xiàn)與接觸角的變化
圖3 四種表面在結(jié)冰與融冰循環(huán)前后液滴狀態(tài)變化的表征:（a）接觸直徑變化率；（b）接觸角變化率；（c）循環(huán)前后接觸角變化；（d）循環(huán)前后滾動(dòng)角變化
鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)采用超快激光燒蝕和化學(xué)刻蝕等方法制備了四種不同微納結(jié)構(gòu)的超疏水表面（即規(guī)則微米柱-納米顆粒二級(jí)表面，微米凸起-納米顆粒不規(guī)則二級(jí)表面、微米柱單級(jí)表面以及化學(xué)刻蝕不規(guī)則微納米表面），開(kāi)展系統(tǒng)的結(jié)冰和融冰研究，發(fā)現(xiàn)在超快激光制備的規(guī)則微米柱-納米顆粒二級(jí)超疏水表面上，液滴在結(jié)冰與融冰循環(huán)后可以自發(fā)地恢復(fù)到原始的Cassie狀態(tài)，其接觸直徑恢復(fù)率和接觸角恢復(fù)率高達(dá)97.8%和98.5%，并且融化后的液滴在3.7°的傾角下即可快速脫離，而其他表面均無(wú)法自發(fā)從Wenzel狀態(tài)恢復(fù)到Cassie狀態(tài)。
為何會(huì)出現(xiàn)這種似乎不可能發(fā)生的Wenzel到Cassie狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變呢？經(jīng)過(guò)系統(tǒng)研究發(fā)現(xiàn)，在規(guī)則微米柱-納米顆粒二級(jí)超疏水表面上，液滴在結(jié)冰過(guò)程中由于空氣在冰中溶解度的快速降低而發(fā)生固氣共晶，析出大量的氣泡，汽包被凍結(jié)在冰球中。在融化時(shí)冰球中的氣泡在融化區(qū)與未融化區(qū)之間溫度梯度的影響下，受到了表面張力梯度誘導(dǎo)的馬蘭戈尼力的作用，快速地向底部進(jìn)行沖擊，促進(jìn)底部大量微納結(jié)構(gòu)之中小氣囊的恢復(fù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液滴從Wenzel狀態(tài)向Cassie狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論模型和數(shù)值模擬，證實(shí)了氣泡沖擊對(duì)Cassie狀態(tài)恢復(fù)的促進(jìn)作用，并給出了實(shí)現(xiàn)Wenzel-Cassie狀態(tài)良好恢復(fù)的三個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：低表面阻力、優(yōu)異的超疏水性及優(yōu)異的延遲結(jié)冰性能。通過(guò)不同環(huán)境和不同液滴狀態(tài)下的系統(tǒng)結(jié)冰與融冰實(shí)驗(yàn)，證明超快激光制備的特殊微納結(jié)構(gòu)超疏水表面正好完全滿(mǎn)足上述三個(gè)前提條件，其Wenzel-Cassie狀態(tài)轉(zhuǎn)變?cè)诓煌瑴囟?、濕度和液滴大小下普遍存在。即使在連續(xù)五次的結(jié)冰和融冰循環(huán)后，液滴仍可以恢復(fù)到接觸角155.6°±0.7°，滾動(dòng)角5.9°±0.4°的良好Cassie狀態(tài)，有效避免多次結(jié)冰融冰過(guò)程中再結(jié)冰、冰積覆等問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中的其他三種超疏水表面以及已知論文發(fā)表的絕大多數(shù)經(jīng)過(guò)化學(xué)刻蝕或涂層制備的超疏水表面，均難以同時(shí)滿(mǎn)足上述三個(gè)條件，因此從沒(méi)有觀(guān)察到結(jié)冰融冰過(guò)程中的Wenzel-Cassie狀態(tài)的自發(fā)轉(zhuǎn)變。
1月19日，該研究成果以“結(jié)冰融冰循環(huán)過(guò)程中自發(fā)液滴去潤(rùn)濕轉(zhuǎn)變”（Spontaneous Dewetting Transitions of Droplets during Icing & Melting Cycle）為題發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。論文由鐘敏霖教授團(tuán)隊(duì)獨(dú)立完成，第一作者為材料學(xué)院2020級(jí)博士生王立眾，通訊作者為鐘敏霖教授。論文的合作作者還包括團(tuán)隊(duì)中的博士后田澤、博士研究生江國(guó)琛、羅曉、陳昶昊和胡昕宇以及高級(jí)工程師張紅軍。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)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。論文工作得到國(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、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和防除冰技術(shù)聯(lián)合研究中心項(xiàng)目支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-28036-x#article-comments
供稿：材料學(xué)院
編輯：李華山
審核：周襄楠
