CRPS：香港城大王钻开/大连理工马学虎关于防霜研究的综述 | Cell Press论文速递
物质科学
Physical science
2021年7月1日，香港城市大学王钻开机械工程讲座教授、大连理工马学虎教授合作在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science上发表综述文章，揭露了冷凝结霜的过程，总结了近年来被动防霜的研究进展，并展望了该领域的未来发展方向。
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冷凝结霜，作为结霜的一种主要形式，广泛存在于自然界和人类的生产生活中。冰霜的积聚会对一些重要设备及器械，如电力线路、飞机、风力涡轮机、冰箱和热泵等的正常运作及运行效率造成巨大破坏。在2018年，冰霜侵袭造成中国中部的经济损失高达5亿元，在2020年引起的电力危机影响了美国德克萨斯州超过450万个家庭和企业。防结霜一直以来是现代社会的重要议题以及一大挑战。
如图1，冷凝结霜可分为四个阶段：水蒸气在冷壁面冷凝成液滴（冷凝液滴的出现），部分冷凝液滴率先冻结（霜的出现），冻结液滴诱发霜波的传播直至覆盖整个表面（霜的传播），霜的变厚变密（霜的生长）。
图1. 冷凝结霜的四个阶段
防结霜分为主动和被动两种方式。主动防霜，包括加热、超声震动、喷涂防冻液等方式，其存在着能耗高、环境不友好、辅助设备大等缺点。随着新型功能材料的不断发展，被动防霜在近年来受到了广泛的青睐和研究。被动防霜主要利用新型材料的本征功能（如防冻蛋白）及表面特性（如表面润湿性），来达到防霜效果。如图2所示，根据冷凝结霜的四个阶段，被动防霜可从四个方面着手：1. 抑制纳米级冰的成核，包括利用界面自由能，界面拓扑形貌，调控冰的晶格匹配等方法；2. 延缓霜的出现，包括利用超疏水表面和浸注润滑液的表面等方法；3. 减缓霜的积累，包括利用吸湿性材料以及多尺度结构设计等方法；4. 降低霜冰的粘附力，包括利用类液表面、聚合物基质材料等方法。
图2. 四类被动防霜的策略
近年来，防霜手段越来越多样化，设计并利用材料的表面结构和化学特性达到快速定向排水延缓结霜或光热效应除霜也能取得显著防霜成效。虽然防霜领域成果颇丰，但在霜冰形成及传播形式的原理方面、材料在极寒条件下的耐久性方面以及霜冰完全自脱离的效果方面仍需进一步探究及改进。
第一作者：杨思艳
通讯作者：王钻开、马学虎
通讯单位：香港城市大学、大连理工大学
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports Physical Science上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文
▌论文标题：
Condensation frosting and passive anti-frosting
▌论文网址：
https://www.cell.com/cell-reports-physical-science/fulltext/S2666-3864(21)00174-0
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2021.100474
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