出品：科普中国
制作：魏昕宇
监制：中国科学院计算机网络信息中心
伴随着降温，新一轮的寒潮天气来了。
早晨顶着寒风出门，不仅要做好保暖，还要时刻担心脚下的路面有没有结冰，否则分分钟马路变冰场，而在冰上狼狈"起舞"的，不是冰刀小王子，而是还没睡醒的你自己。
图片来源：Veer图库
结冰给我们生活的方方面面带来诸多不便，因此，除了机械破冰、加热融化、撒盐化冰等主动防冰手段，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？也就是所谓的"被动防冰"。
这一目标初听起来像是天方夜谭，但事实上，还真可行。
自然界中，落在荷叶上的水滴不仅总是会保持球形，而且当微风吹过，叶片略有倾斜时，水滴很快就会滚落。这是因为荷叶的表面布满了许多直径、高度和间距都只有十几到几十微米的小柱子，这些粗糙不平的微观结构让荷叶具有极强的疏水能力。
如果能让材料像荷叶一般"疏水"，水滴落到固体表面后，还没来得及凝固之前就会迅速流走，那么不就有可能实现永不结冰的目标了吗？
2010年的一项研究验证了这一猜想，过冷水滴落到普通亲水甚至疏水表面上都会迅速结冰，但落到超疏水表面却会迅速弹开，从而让固体表面不受结冰的困扰。
图片来源：参考文献[5]
过冷水滴落在倾斜的超疏水表面（图C）上后会迅速弹起，从而使得固体表面长时间保持不结冰状态；相反，常规的亲水表面（图A）和疏水表面（图B）在相同条件下都会迅速被冰层覆盖。最右图为电子显微镜下看到的超疏水表面上的微观结构，标尺为10微米。
不过，由于水的粘度会随着温度降低而增加，落到固体表面上后就可能无法及时弹起，而是像普通表面一样结冰。同时，如果雨滴撞击表面时的速度过快，或者环境湿度较高时导致水蒸气直接在固体表面凝结，还会使得过冷水滴进入微观结构之间原本由空气占据的孔隙。
这样的表面不仅很难起到防冰效果，而且由于粗糙不平的表面增加了冰和固体之间的黏附力，表面上的冰反而更加难以清除，无疑是雪上加霜。
因此，超疏水表面在防冰除冰的应用中，并不是最优解。
从"滚"到"滑"：这次学学猪笼草
众所周知，猪笼草通过笼顶部的蜜腺和光滑的笼内壁诱捕猎物。
为什么猪笼草的内壁这么丝滑？有些猪笼草拥有光滑的蜡质，而有些猪笼草内壁的表面则布满许多微观结构。这些看不见的"孔洞"使得内壁表面能够较长时间地被雨水覆盖，保持光滑的效果。因此落入捕笼的昆虫在内壁上站立不稳，也就很难逃出生天。这样的表面，科学家们称之为"液体浸润多孔光滑表面"，简称为SLIPS 。
受猪笼草的启发，研究人员开始尝试人工建造SLIPS表面，并且很快发现，这种具有非凡本领的表面可以由超疏水表面经过简单的"升级"而来——直接在超疏水表面涂上特殊的液体就可以了。
布满微观结构的超疏水表面虽然滴水不沾，却和一些含氟的液态有机物"志趣相投"，可以被后者浸润。因此，如果把这些液体涂到超疏水表面，它们就可以长久地呆在那里，不会流走。
由于水既不能浸润超疏水表面，也无法与这些含氟的液体互溶，因此只能停留在表面上，而表面由于含氟液体层的存在非常光滑，所以只要我们稍稍倾斜，水滴就会滑落而下。
固体表面犹如光滑的猪笼草内壁，水滴就像误入陷阱的猎物，连站都站不稳脚跟，又该如何结冰呢？显然，在低温天气下，这样的表面能够有效阻止冰层的形成。
2012年的一项研究发现，在低温下，随着时间的推移，当传统的超疏水表面也坚持不住开始出现结冰时，SLIPS表面的大部分区域仍然保持初始状态，彰显了这一类表面的威力。
（图片来源：参考文献）
将普通的铝的表面（上）经过处理转化成SLIPS表面（下）后，低温下固体表面结冰的过程大大延缓。即便最终冰仍然会在SLIPS表面形成，升温后也较为容易除去。
虽然SLIPS表面与超疏水表面相比，具有一定的自我修复能力，且由于使用的液体沸点较高，不会像水那样在使用过程挥发殆尽，但是，一些研究仍然表明，SLIPS表面中起润滑作用的液体会在结冰-除冰的循环中不断流失。
当这些起到润湿作用的液体消耗殆尽时，SLIPS表面就会退化成超疏水表面，而使用者也不得不面对后者的弊端。
用水来抗冰？科学家将天方夜谭变为现实
针对上文的问题，来自我国的研究人员对SLIPS表面进行了改造，不再使用有机物液体，而是改用水来浸润固体表面。
他们在常规的固体表面涂上一层具有吸湿性的高分子材料。由于这一层高分子材料的存在，空气中的水汽很容易凝结到固体表面，形成一层薄薄的水膜。就像盐水比纯水需要更低的温度才能结冰一样，溶解了高分子材料的水膜，其凝固点也显著降低，可以在-25 oC的低温下仍然保持液态。
简单来说，就是在冰和固体之间建造一道水膜屏障。由于水膜的润滑作用，冰层和固体之间的黏附作用相当微弱，我们只需要很小一点力就可以将冰层清除。
这项研究实际上标志着致力于表面防冰研究的科学家们开始调整思路，不再关注于如何防止固体表面结冰，而是转向研究如何使固体更易除冰。
2019年发表在《科学》上的一项研究中，来自美国密歇根大学的研究人员发现，如果将固体表面的韧性控制在一定程度以下，达到所谓"低界面韧性表面"，当固体长度超过一个很小的临界值后，长度继续增加，固体与冰层之间的作用不再随之增加，而是趋于恒定且较低的程度。而且与前面提到的若干防冰表面不同，这种表面不需要特殊的物理或者化学结构，只需通过降低常规涂层厚度和向涂层中添加增塑剂等简单的办法就可以实现。
也就是说，只要在固体表面涂上一层特殊的涂层，就可以起到轻松除冰的效果。
这种固体表面虽然乍一看不像超疏水表面和SLIPS表面那样能够阻止冰层的形成，在实际操作中，它的防冰效果可能反而要大大优于前二者呢。
（图片来源：参考文献）
图A："低界面韧性表面"的防冰效果既优于普通的固体表面（左），也超过了传统的防冰表面（中）；图B：用低界面韧性表面涂层处理后的铝板在室外的防冰测试。
这一系列新的研究的问世，表明科学家们对于表面防冰除冰的认识不断深入。当然，这一领域还存在的不少有待解决的难题，开发持续耐久、且在各种条件下都能较好防止冰层形成的表面仍然是一个不小的挑战。不过相信随着材料学的进步，我们在冬季会越来越少地受到结冰的困扰。
参考文献
[1] P. Zhang, F.Y. Lv, "A Review of the Recent Advances in Superhydrophobic Surfaces and the Emerging Energy-related Applications", Energy, 2015, 82, 1068
[2] Minglin Ma, Randal M. Hill, "Superhydrophobic Surfaces", Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2006, 11, 193
[3] Thieery Darmanin and Frédéric Guittard, "Superhydrophobic and Superoleophobic Properties in Nature", Materials Today, 2015, 18, 273
[4] Michael J. Kreder et al. "Design of Anti-Icing Surfaces: Smooth, Textured or Slippery?", Nature Review Materials, 2016, 1, 1
[5] Lidiya Mishchenko, "Design of Ice-free Nanostructured Surfaces Based on Repulsion of Impacting Water Droplets", ACS Nano, 2010, 4, 7699
[6] S. A. Kulinich et al. "Superhydrophobic Surfaces: Are They Really Ice-Repellent?", Langmuir, 2011, 27, 25
[7] Tak-Sing Wong, "Bioinspired Self-Repairing Slippery Surfaces with Pressure-Stable Omniphobicity", Nature, 2011, 477, 443
[8] Philseok Kim et al. "Liquid-Infused Nanostructured Surfaces with Extreme Anti-Ice and Anti-Frost Performance", ACS Nano, 2012, 6, 6569
[9] Konrad Rykaczewski et al. "Mechanism of Frost Formation on Lubricant-Impregnated Surfaces", Langmuir, 2013, 29, 5230
[10] Jing Chen et al. "Robust Prototypical Anti-icing Coatings with a Self-lubricating Liquid Water Layer between Ice and Substrate", ACS Applied Materials and Interfaces, 2013, 5, 4026
[11] Renmei Dou et al. "Anti-icing Coating with an Aqueous Lubricating Layer", 2014, 6, 6998
[12] Kevin Golovin et al. "Low–interfacial Toughness Materials for Effective Large-scale Deicing", Science, 2019, 364, 371
