“荷叶不沾水”现象和红酒摇晃时出现的“酒泪”现象，与超疏水抗结冰表面有什么关系？

日前，清华大学材料学院钟敏霖教授团队，以此为灵感，发现了超疏水表面结冰融冰的新现象，用超快激光研发出一种超疏水抗结冰表面，未来可用于飞机机翼抗结冰等重要应用。

1月19日，相关论文以《结冰融冰循环过程中液滴的自发去润湿转 变 》（Spontaneous dewetting transitions of droplets during icing & melting cycle）为题发表在Nature Communications上。

研究中，钟敏霖团队发现在超快激光制备的特殊微纳米结构超疏水表面上，在结冰、融冰的循环过程中，会产生一种自发的润湿性状态转变现象。此前，该现象在现有润湿性理论中和现实中被认为是不可能出现的。该团队不仅观察到了这一新现象，还系统解释了出现机理，提出了润湿性转变的三个前提条件，以及实现该转变的超疏水表面的制备方法。这一发现有助于克服荷叶不沾水优良特性难以广泛应用的障碍，有可能较好地解决超疏水表面用于航空抗结冰的难题。

在工业生产和实际生活中，结冰常常会带来极大的困扰，例如，输电线路结冰会严重影响电力传输，车窗、高铁轨道的结冰则会影响运输安全，最为严重的是飞机在高空飞行时，机翼、螺旋桨等关键部件一旦结冰，会直接导致飞机升力系数降低，进而严重影响航行安全，甚至会发生坠机等事故。

为避免飞机高空结冰，目前常常采用电热、气热等主动式防除冰技术，但这类技术不可避免要消耗大量电能和热能，在高空恶劣气候条件下有时并不能完全地消除结冰危害。因此，研究并发展新的防除冰技术，对于解决飞机结冰问题意义十分重大。

近年来，受到荷叶不沾水自清洁特性的启发，超疏水表面成为有望实现低能耗被动防除冰的最具前途的方法之一，然而抗结冰性能、远比荷叶的超疏水性能要求高。要想实现类似荷叶的不沾水特性，材料表面只需要丰富的微纳米结构，以及较低的表面能即可。

但是，荷叶只生存于温暖的南方，或夏天较高温度的气候之下，冬天枯萎之后则回避了防结冰问题。人工制备的超疏水表面，要想在冬天低温结冰气候下获得抗结冰性能，则需要表面具有不易结冰、少结冰和易于除冰的特性。其中，在水滴降温结冰过程中，微纳米结构会起正面和反面双重作用。

从荷叶不沾水到玫瑰花瓣的水滴粘附

通常来说，当温度在0℃以上时，液滴在超疏水表面上存在两种状态：像荷叶一样的不沾水低黏附状态（学术上称为Cassie状态）；以及像玫瑰花瓣一样的高黏附状态（学术上称为Wenzel状态）。

当液滴处于“荷叶状态”时，液滴被表面底部大量微纳米结构包围、所形成的成千上万个小气囊所支撑，因此液滴与表面的实际接触面积很小。当温度降到0℃以下，超疏水表面具有不易结冰、少结冰和易于除冰的正面功能。

然而，常常由于温度下降、振动或压力等外界干扰，超疏水表面的液滴底部小气囊中的空气会从微纳结构中被挤出，使得液滴渗入到大量的微纳结构中，进而发生从荷叶低黏附状态、到玫瑰花瓣高黏附状态的转变。

此时，液滴深入底部的大量微纳结构之间，固液接触面积急剧增大，当温度降到0℃以下时，超疏水表面具有快速结冰、冰牢牢黏附于表面不易除冰的反面功能，会进一步恶化结冰危害。因此要想实现超疏水表面的防除冰功能，需要液滴在超疏水表面处于低黏附的Cassie状态，而不是高黏附的Wenzel状态。

不过，当温度不断降低时，超疏水表面上的液滴最终会不可避免地从Cassie状态转变为Wenzel状态。同时，由于这两种状态之间存在较大能垒，即使在升温过程中，液滴也无法跨越这一能垒并恢复到初始的Cassie态，而这会导致超疏水表面的失效。

该问题也成为阻碍超疏水表面难以广泛应用于抗结冰目的的主要挑战之一。假设液滴在结冰-融冰循环过程中能自发实现从Wenzel状态到Cassie状态的转变，那么将有效避免超疏水表面在多次结冰融冰过程中性能的下降、不易除冰反面功能的出现以及冰积覆等问题，对于超疏水表面的航空防除冰应用将具有重大的价值。但迄今为止，这种超疏水表面结冰融冰过程中的Wenzel到Cassie状态的自发转变没有出现过。

此次工作的学术价值在于，在由超快激光制备的、特殊微纳米结构的超疏水表面的结冰融冰循环中，钟敏霖团队首次观察到从Wenzel状态自发恢复到Cassie状态的现象。他的团队对这一现象进行了系统性分析和验证，阐明了发生转变的内部机理。

文章来源：《清华大学学报》 网址: http://www.qhdxxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0308/2098.html

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