科学家制作出防冰表面 微观结构和蜡质覆盖的强强联合
2019-12-10 10:47:23 来源:中国科普博览

又一个冬天到来了。

早晨,你顶着凛冽的寒风走出家门,准备飞赴外地拜见一位重要的客户。出门没走多远,你就重重地滑倒在地——楼外的人行道上不知什么时候结了一层冰。

你挣扎着站起来,庆幸自己身板结实,摔了一跤并无大碍,但昨晚刚洗干净的衣服却就此“报销”。

回家重新换好衣服,你小心翼翼地走到停车场,正准备发动汽车,却懊恼地发现车挡风玻璃上覆盖着厚厚的一层冰。当你终于把车上的冰层清理干净时,距离原定的出发时间已经过去了半个多小时。

担心错过航班的你匆匆赶到机场,发现登机还未开始,心里的一块大石头终于落了地。然而很快你就高兴不起来了:由于机场跑道和飞机机翼结冰严重,航班大量延误,如果因此不能按时赴约,影响了公司的生意,你真不知道如何向上司交代呢。

图片来源:Veer图库

图片来源:Veer图库

如此“祸不单行”的场景或许有些夸张,但结冰给我们生活的方方面面带来诸多不便,甚至造成严重的财产和人员伤亡,却是不争的事实。如在2008年发生在我国南方各省的雪灾中,大量的电线、铁塔等因结冰不堪重负而倒塌,造成了严重的电力供应和通讯中断等。

正是因为结冰对人类生活带来的严重威胁,每逢冬季来临,保护重要的固体表面免受这些“不速之客”的困扰总是至关重要的任务。

目前的除冰或防冰方法无非以下几种:用单纯的机械力将冰层敲碎破除;加热固体表面使冰融化;喷洒盐、醇等化学物质来降低水的凝固点等。

这些被称为“主动防冰”的手段虽然行之有效,但弊端也很明显:机械除冰费时费力,而且操作者还会面临潜在的危险,例如从高处滑落或者摔伤。在2008年的南方雪灾中,湖南省的周景华、罗长明、罗海文三位电力职工就是由于在为输电线铁塔除冰过程中铁塔突然倒塌而不幸光荣殉职;加热固体表面需要不小的能源投入;而利用化学试剂除冰则有可能导致地表径流和地下水受到污染。

因此,近些年来,人们提出了一个全新的构想:能否设计这样一种固体材料,它的表面即使没有人为的干预,暴露在低温下也不会附着冰层,从而一劳永逸地解决结冰带来的种种烦恼?

这就是所谓的“被动防冰”手段。

这一目标初听起来像是天方夜谭,但如果仔细分析一下却会发现其实并非完全不可能。当然,在开始设计这种材料前,我们首先需要明白,好端端的固体表面为什么突然就附着了厚厚的一层冰呢?

超疏水表面:向冻雨说不?

造成固体表面结冰的其中一种原因是冻雨。冻雨是非常令人头疼的一种自然灾害。2008年给我国南方造成严重人员和财产损失的雪灾中,有不少损失就来自冻雨带来的冰冻。发生冻雨时,温度低于0 oC的水滴,即所谓过冷水滴,从空中降下,遇到固体表面就会迅速结冰。

那么如果过冷水滴落地固体表面后,在还没来得及凝固之前就迅速流走,不就有可能实现永不结冰的目标了吗?