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  低溫環(huán)境中，隨處可見結(jié)冰現(xiàn)象經(jīng)常會伴隨著嚴(yán)重的災(zāi)害及隱患。比如，飛機(jī)上的結(jié)冰容易引發(fā)嚴(yán)重飛行事故；電纜的嚴(yán)重結(jié)冰將會引起坍塌而導(dǎo)致電力系統(tǒng)故障。傳統(tǒng)上一般采用主動(dòng)方式，如用化學(xué)劑，加熱，機(jī)械等方法進(jìn)行除冰來避免結(jié)冰對人類生產(chǎn)生活造成不良影響。但是傳統(tǒng)方法具有需要重復(fù)操作，耗能，對環(huán)境不友好等缺點(diǎn)。為此，亟需開發(fā)新一代除冰材料。

  由于凝膠具有出色的降低冰粘附力，抑制冰晶，及限制冰晶擴(kuò)散的能力，近年來在防冰領(lǐng)域受到廣泛的關(guān)注。然而由于其在防冰領(lǐng)域的研究處于起始階段，它們的穩(wěn)定性，耐久性等方面仍然有待提高。為了促進(jìn)防冰凝膠的發(fā)展，增強(qiáng)對防冰凝膠的理解，挪威科技大學(xué)納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）張志良教授和何健英教授結(jié)合課題組內(nèi)十年來在防冰領(lǐng)域的理解及凝膠材料的發(fā)展趨勢，對目前的防冰凝膠進(jìn)行了綜述，文章發(fā)表于國際著名期刊《Materials Horizons》 。

從結(jié)冰到防冰策略

  文章首先對結(jié)冰過程進(jìn)行分析，從而總結(jié)目前的防冰策略，包括防止水在結(jié)冰前的黏附，抑制冰晶形成，控制冰生長，限制冰晶擴(kuò)散和降低冰粘附力，如圖1。

圖1 從結(jié)冰到防冰策略

防冰凝膠

  凝膠是一種含有交聯(lián)高分子網(wǎng)絡(luò)及液體相的固體材料，由于高分子及液體相的多樣性，凝膠可以實(shí)現(xiàn)多功能性并運(yùn)用于眾多領(lǐng)域，如隱形眼鏡，組織工程，傳感器，生物黏附，電子器件等。其多功能性同樣能在防冰領(lǐng)域起作用，實(shí)現(xiàn)所有防冰性（防止水在結(jié)冰前的黏附，抑制冰晶形成，控制冰生長，限制冰晶擴(kuò)散和降低冰粘附力）。圖2中展示了除冰有機(jī)凝膠，疏水有機(jī)凝膠具有低的模量，在應(yīng)力條件下能與所黏附的冰體在界面處產(chǎn)生應(yīng)變不匹配，從而促進(jìn)冰的剝離；過量的液體相也能作為潤滑液，降低冰及水的黏附。而傳統(tǒng)防凍液與高分子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)形成的親水有機(jī)凝膠能夠抑制冰晶的形成，能在冰與凝膠界面形成水層，從而降低粘附力。

圖2 防冰有機(jī)凝膠

  圖3展示了部分防冰水凝膠和離子凝膠。水凝膠的防冰性可以通過添加化學(xué)劑及高分子網(wǎng)絡(luò)改性獲得。添加無機(jī)鹽及傳統(tǒng)防凍液都可以實(shí)現(xiàn)冰點(diǎn)的降低，使得水凝膠能夠在零下溫度保持柔軟性，添加劑能夠擴(kuò)散到冰與凝膠界面，從而溶解冰，形成水層作為潤滑劑，降低粘附力。通過對抗凍蛋白的仿生，對水凝膠中的高分子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修飾，可以同時(shí)獲得抑制冰晶形成，限制冰晶擴(kuò)散和降低冰粘附力的能力。
離子凝膠最近剛開始被用于防冰，離子液體在水中出色的防止結(jié)冰能力得到了很好的發(fā)揮。由于出色的降冰點(diǎn)能力，液滴在離子凝膠表面的生長甚至?xí)桓淖儯a(chǎn)生由外而內(nèi)的生長，促進(jìn)所形成冰的剝離，且之間的液體層發(fā)揮潤滑作用進(jìn)一步大大降低了冰粘附力。

圖3 防冰水凝膠及離子凝膠

  文章對防冰凝膠進(jìn)行了展望。雖然目前防冰凝膠已取得出色的成果，但是其耐用性及穩(wěn)定性有待提高。其機(jī)械耐用性需要進(jìn)一步提高，可通過增強(qiáng)凝膠韌性，增強(qiáng)凝膠涂層與表面的粘合力來實(shí)現(xiàn)。另外，凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)對水狀態(tài)的影響研究尚不明確，為發(fā)展防冰凝膠，有必要對其進(jìn)一步深入探究。凝膠的多功能性或許能在防冰上大放異彩，如何運(yùn)用凝膠材料的智能性，如溫敏，光敏，電敏性，輔助防冰，仍有很大的研究空間（圖4）。

圖4 展望

  挪威科技大學(xué)納米力學(xué)實(shí)驗(yàn)室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）由張志良教授于2006年成立，聚焦于納米力學(xué)及界面力學(xué)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。該課題組的防冰研究始于2011年，經(jīng)過十年來的發(fā)展，已在世界范圍內(nèi)取得了較高的知名度，并于2019年舉辦了首屆國際防冰材料研討會，目前該課題組在防冰領(lǐng)域已與石油，電力等工業(yè)界建立了緊密的聯(lián)系。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D1MH00910A