我国学者在盐水液滴结冰机理及多功能防冰涂层研究方面取得进展

　　

图 盐水液滴冰芽生长现象及多功能防冰涂层设计策略。
（a）盐水液滴结冰后顶端的液膜产生及液膜内冰芽生长现象；（b）多功能集成的结构化光热储能超疏水表面构筑策略

　　在国家自然科学基金项目（批准号：52206068）等资助下，北京科技大学褚福强/冯妍卉团队与清华大学吴晓敏教授、北京科技大学赖念筑副教授、上海交通大学王如竹教授、美国伊利诺伊香槟分校Nenad Miljkovic教授等学者合作，在盐水液滴结冰机理及多功能防冰涂层研究方面取得进展。研究成果分别以“盐水液滴结冰过程中的界面冰发芽现象（Interfacial ice sprouting during salty water droplet freezing）”“基于结构化光热储能超疏水表面的先进防冰策略与技术（Advanced Anti‐Icing Strategies and Technologies by Macrostructured Photothermal Storage Superhydrophobic Surfaces）”“三维硫化铜封装相变微胶囊基光热储能超疏水涂层的高效防除冰（Efficient Photothermal Anti‐/Deicing Enabled by 3D Cu_2‐xS Encapsulated Phase Change Materials Mixed Superhydrophobic Coatings）”为题，发表在《自然?通讯》（Nature Communications）和《先进材料》（Advanced Materials）期刊上。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-46518-y；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402897；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202310312。

　　结冰问题是飞行器积冰、舰船结冰、风电及输电线覆冰等领域的共性基础科学问题。深入研究结冰及防除冰过程中存在的科学问题，发展先进的防除冰策略和技术手段，对于保障我国大飞机战略、冰上丝绸之路北极航道战略的实施，以及风电等行业的发展有重要意义。然而，由于结冰过程气液固三相界面演化的复杂性、结冰条件的极端性等原因，结冰现象背后仍存在很多未解之谜，防除冰技术的发展也较为缓慢，单一防除冰方案难以满足多场景的防除冰需求。

　　研究团队聚焦于盐水液滴结冰机理与多功能防冰涂层开发，全面探究了固体表面盐水液滴的结冰成核和枝晶生长机制，提出了防冰涂层的多功能集成设计思路。盐水液滴结冰机理方面，明晰了盐水液滴结冰的基本特征，其成核-再辉及冻结过程均表现为枝晶生长，枝晶生长伴随且受控于盐离子的排斥；基于盐水液滴内部的温度变化，重新定义盐水液滴的结冰完成时刻为冻结阶段温度曲线的拐点时刻，并建立了理论模型预测盐水液滴结冰时间；发现了盐水液滴顶端的液膜产生现象，该现象始于结冰完成时刻，可作为盐水液滴结冰完成的指示性特征；发现液膜产生后液膜底部的冰晶“发芽”现象，揭示了冰晶发芽现象的物理本质，其源于液膜气液界面的冷凝效应，受控于冷凝效应与固液界面析冰效应的竞争作用。多功能防冰涂层开发方面，剖析了超疏水表面防结冰技术面临的问题，提出了构筑多功能集成的结构化光热储能超疏水表面实现全天高效防冰的策略；开发了由 Cu₂O/Cu_2-xS 作为双壳层实现全光谱高吸收的新型相变微胶囊；研发了微胶囊基的光热储能超疏水一体化涂层，该涂层具有功能性多、适应性好的特点，可在低温、高湿条件下保持优异的防除冰性能。