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  結冰問題長期困擾人類生活與工業生產，生物啟發的超疏水表面為無能耗防除冰提供了可能，但其有限的Cassie態穩定性制約了超疏水防除冰表面的實際應用。清華大學激光材料研究中心鐘敏霖教授團隊近期報道了一種雙能壘高穩定性超疏水結構的激光制備方法。在原有Cassie狀態過渡至Wenzel狀態的單能壘基礎上，通過雙重復合微結構設計，人為地引入第二Cassie能壘，使其在熱力學上呈現出雙能壘的Cassie狀態，極大地提高Cassie狀態轉變為Wenzel狀態的壁壘與難度，并且通過復合納米結構，進一步同時提高雙能壘峰值，顯著提升Cassie狀態穩定性與防除冰性能，有望用于實際應用。該研究以“Dual-Energy-Barrier Stable Superhydrophobic Structures for Long Icing Delay”為題發表于《ACS Nano》上。

  結冰現象對交通、通信、能源等諸多領域提出了嚴峻的挑戰，尤其對于高空飛行的飛機，數秒內機翼形成的毫米級厚度的粗糙冰便可使飛機最大升力系數損失約30 %，若不及時除冰，則會導致機毀人亡的慘劇。近年，因飛機機翼結冰而發生的空難時有發生，為保障飛行安全，目前廣泛采用熱力、氣動等主動式防除冰方法來進行防冰與除冰。但該類方法通常存在能耗大、效率低等問題，并且難以應用于氣象機、無人機等機型。因此，發展低能耗與無能耗被動防除冰新技術具有重要的理論與應用價值。

  受自然界荷葉不沾水現象的啟發，超疏水表面被認為是最有望實現被動無能耗防除冰應用的技術之一。大量的研究表明，當超疏水表面上呈現Cassie狀態時可以展現出極低的冰粘附強度、良好的延遲結冰時間以及液滴的動態彈跳。然而，在實際的防除冰應用中，超疏水表面受動態沖擊、毛細冷凝、液體粘度增大、氣囊收縮與溶解等各類因素的影響，極易從熱力學Cassie亞穩態轉變為Wenzel穩定態，不僅造成防除冰性能的失效，甚至由于冰與微納結構之間的機械互鎖效應，使冰粘附強度大幅度增大，導致更易結冰、更難除冰等危害。為提高Cassie態穩定性，避免轉變為Wenzel狀態，目前通常采用在微米結構的基礎上引入納米結構構建微納復合多級體系的方法來提高表面Cassie態穩定性。然而受制備方法對微納結構可控性差、分析手段有限等方面的限制，有關表面微納結構與防除冰性能之間的內在機理，以及合理的高穩定性超疏水防除冰表面結構設計仍缺少系統的理論與實驗研究，導致有限的Cassie狀態穩定性在結冰過程中仍難以避免轉變為Wenzel狀態，限制了超疏水表面進一步的被動防除冰應用。

圖2 雙能壘超疏水結構熱力學計算與優化

圖3 雙能壘超疏水結構耐久性測試

  鏈接地址：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02051