在寒冷的環境中，冰雪在室外建筑，交通工具、道路等表面的附著、積聚給人們的生產、生活帶來諸多不便，造成巨大的經濟損失，甚至威脅生命財產安全。比如，飛機上的結冰容易引發嚴重飛行事故；電纜的嚴重結冰將會引起坍塌而導致電力系統故障。而防覆冰技術恰好為解決這一難題的提供了強有力的支持。傳統的防覆冰方法大多基于除冰、融冰思路，以熱力除冰、機械除冰等主動除冰方式為主，這種除冰方式產生大量能耗且容易對環境造成不利影響。防覆冰涂層旨在抑制或延緩冰晶在材料表面的形成，降低冰晶對基質的附著力，并且具有能耗小、環境友好、適用范圍廣的優點，逐步成為研究的重點。
挪威科技大學納米力學實驗室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）張志良和何健英教授結合課題組內十年來在防冰領域的工作，以及對冰-基底結合界面的理解，認為現有的防覆冰表面設計思路主要是基于靜態的思考，即在冰形成后把冰-基底結合的界面視為靜止不變的，如果能夠從動態發展的角度去審視冰和基底之間的界面行為，無疑可以為防覆冰表面的設計提供更多的解決方案。從而創造性地提出了動態防覆冰表面的概念，并且對目前的相關進展進行了綜述及展望，文章發表于《Advanced Science》。
動態防覆冰表面
文章首先對動態防覆冰表面進行了介紹，通過聚焦在冰-基底密切結合的部位，關注冰-基底結合處物理或者化學性質在冰形成后的動態變化行為，動態防覆冰表面被分成了三個部分，動態基底，動態界面，動態冰，如圖1所示。
圖1
動態基底是指在冰形成后，基底可以在內部或者外界的刺激下，產生動態變化從而實現更簡易的冰的移除，動態基底包括，自響應的基底，外界環境響應的基底以及力學響應的基底。動態界面是指在冰形成后，可以動態改變冰-固體界面，例如把這種固-固界面結合，轉變為固-液-固結合，這樣無疑可以更為便捷地移除冰。動態界面被分為不結冰的界面水，界面裂紋引發表面，動態界面融化，動態界面生成器。動態冰則是包括在冰的形成過程中或者產生后，可以動態改變冰的性質，從而降低冰在表面的附著甚至移除冰的表面。 動態冰則包含了冰生長抑制表面，冰生長控制表面，可規劃無冰區域的表面，動態冰融化的表面。三種表面各舉一例，如圖2-4所示。
圖2. 通過設計環境響應的基底得到的動態防覆冰表面 (a) 熱響應的潤滑液可再生的有機凝膠 (b) 可相變的潤滑液浸潤的多孔表面。參考https://doi.org/10.1002/anie.202004122和https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.224。
圖3. 通過設計動態界面生成器得到的動態防覆冰表面，當冰在表面覆蓋后，該界面生成器可以在界面動態形成乙醇潤滑層，從而實現在多種表面（親水甚至粗糙表面）上冰的簡單移除。參考https://doi.org/10.1039/C9MH00859D。
圖4. 通過控制冰的生長得到的動態防覆冰表面，該表面可以通過控制冰的生長方向垂直于表面，從而實現更簡易的冰移除。參考https://doi.org/10.1073/pnas.1712829114。
展望
該文章提出了動態防覆冰表面的概念，并結合不同的研究趨勢對動態防覆冰表面進行了細分，希望可以給讀者一個更為全面細致的解釋。毫無疑問，過去幾十年中，人們對于被動防覆冰表界面進行了大量的研究并且也取得了很多重要進展。但是目前我們看待結冰問題以及防覆冰表面的設計思路還有很大的進步空間。對于冰在表面上的附著，理解冰形成后，冰-基底結合部位的動態變化將是極為關鍵的啟發點，在此基礎上，可以針對性地利用甚至設計這些動態變化，從而達到更為高效的冰的移除。值得關注的是，動態防覆冰是在現有的被動防覆冰表面的的基礎上進行的優化，以及對設計思路的拓展，可以為未來防覆冰表面的設計提供更多可能性。雖然現有的防覆冰表面在耐久性，防污染，及低溫環境的使用以及大尺寸制備上依然存在挑戰性，但是我們相信，在不久的將來，更多的突破無疑會給防覆冰表界面帶來更多的實際應用價值。
挪威科技大學納米力學實驗室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）由張志良教授于2006年成立，聚焦于納米力學及斷裂力學的應用基礎研究，近年來主要關注材料表面及界面設計及其在防粘附領域中的應用。該課題組的防冰研究始于2011年，經過十年來的發展，已在世界范圍內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域已與石油，電力等工業界建立了緊密的聯系。
原文鏈接：http://doi.org/10.1002/advs.202101163
