挪威科技大学张志良教授团队《Adv. Sci.》：防冰”动一动”-动态防覆冰表面
在寒冷的环境中，冰雪在室外建筑，交通工具、道路等表面的附着、积聚给人们的生产、生活带来诸多不便，造成巨大的经济损失，甚至威胁生命财产安全。比如，飞机上的结冰容易引发严重飞行事故；电缆的严重结冰将会引起坍塌而导致电力系统故障。而防覆冰技术恰好为解决这一难题的提供了强有力的支持。传统的防覆冰方法大多基于除冰、融冰思路，以热力除冰、机械除冰等主动除冰方式为主，这种除冰方式产生大量能耗且容易对环境造成不利影响。防覆冰涂层旨在抑制或延缓冰晶在材料表面的形成，降低冰晶对基质的附着力，并且具有能耗小、环境友好、适用范围广的优点，逐步成为研究的重点。
挪威科技大学纳米力学实验室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）张志良和何健英教授结合课题组内十年来在防冰领域的工作，以及对冰-基底结合界面的理解，认为现有的防覆冰表面设计思路主要是基于静态的思考，即在冰形成后把冰-基底结合的界面视为静止不变的，如果能够从动态发展的角度去审视冰和基底之间的界面行为，无疑可以为防覆冰表面的设计提供更多的解决方案。从而创造性地提出了动态防覆冰表面的概念，并且对目前的相关进展进行了综述及展望，文章发表于《Advanced Science》。
动态防覆冰表面
文章首先对动态防覆冰表面进行了介绍，通过聚焦在冰-基底密切结合的部位，关注冰-基底结合处物理或者化学性质在冰形成后的动态变化行为，动态防覆冰表面被分成了三个部分，动态基底，动态界面，动态冰，如图1所示。
图1
动态基底是指在冰形成后，基底可以在内部或者外界的刺激下，产生动态变化从而实现更简易的冰的移除，动态基底包括，自响应的基底，外界环境响应的基底以及力学响应的基底。动态界面是指在冰形成后，可以动态改变冰-固体界面，例如把这种固-固界面结合，转变为固-液-固结合，这样无疑可以更为便捷地移除冰。动态界面被分为不结冰的界面水，界面裂纹引发表面，动态界面融化，动态界面生成器。动态冰则是包括在冰的形成过程中或者产生后，可以动态改变冰的性质，从而降低冰在表面的附着甚至移除冰的表面。 动态冰则包含了冰生长抑制表面，冰生长控制表面，可规划无冰区域的表面，动态冰融化的表面。三种表面各举一例，如图2-4所示。
图2. 通过设计环境响应的基底得到的动态防覆冰表面 (a) 热响应的润滑液可再生的有机凝胶 (b) 可相变的润滑液浸润的多孔表面。参考https://doi.org/10.1002/anie.202004122和https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.11.224。
图3. 通过设计动态界面生成器得到的动态防覆冰表面，当冰在表面覆盖后，该界面生成器可以在界面动态形成乙醇润滑层，从而实现在多种表面（亲水甚至粗糙表面）上冰的简单移除。参考https://doi.org/10.1039/C9MH00859D。
图4. 通过控制冰的生长得到的动态防覆冰表面，该表面可以通过控制冰的生长方向垂直于表面，从而实现更简易的冰移除。参考https://doi.org/10.1073/pnas.1712829114。
展望
该文章提出了动态防覆冰表面的概念，并结合不同的研究趋势对动态防覆冰表面进行了细分，希望可以给读者一个更为全面细致的解释。毫无疑问，过去几十年中，人们对于被动防覆冰表界面进行了大量的研究并且也取得了很多重要进展。但是目前我们看待结冰问题以及防覆冰表面的设计思路还有很大的进步空间。对于冰在表面上的附着，理解冰形成后，冰-基底结合部位的动态变化将是极为关键的启发点，在此基础上，可以针对性地利用甚至设计这些动态变化，从而达到更为高效的冰的移除。值得关注的是，动态防覆冰是在现有的被动防覆冰表面的的基础上进行的优化，以及对设计思路的拓展，可以为未来防覆冰表面的设计提供更多可能性。虽然现有的防覆冰表面在耐久性，防污染，及低温环境的使用以及大尺寸制备上依然存在挑战性，但是我们相信，在不久的将来，更多的突破无疑会给防覆冰表界面带来更多的实际应用价值。
挪威科技大学纳米力学实验室（NTNU Nanomechanical Lab，https://www.ntnu.edu/nml）由张志良教授于2006年成立，聚焦于纳米力学及断裂力学的应用基础研究，近年来主要关注材料表面及界面设计及其在防粘附领域中的应用。该课题组的防冰研究始于2011年，经过十年来的发展，已在世界范围内取得了较高的知名度，并于2019年举办了首届国际防冰材料研讨会，目前该课题组在防冰领域已与石油，电力等工业界建立了紧密的联系。
原文链接：
http://doi.org/10.1002/advs.202101163
相关进展
挪威科技大学张志良教授和何健英教授《Mater. Horiz.》：凝胶-防冰材料新选择
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