清華新聞網(wǎng)8月21日電 超疏水表面在防冰領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著潛力，但在低溫、高濕及動態(tài)沖擊條件下難以維持Cassie-Baxter態(tài)的問題，嚴(yán)重限制了其實際應(yīng)用。清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料加工研究中心鐘敏霖、范培迅團(tuán)隊近期開發(fā)了一種金屬倒角超疏液結(jié)構(gòu)，通過微米級T型柱陣列與密集的納米線構(gòu)建多級倒角結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)傳統(tǒng)納米效應(yīng)與倒角效應(yīng)的協(xié)同強(qiáng)化。這種金屬倒角結(jié)構(gòu)兼具穩(wěn)健的Cassie-Baxter狀態(tài)與增強(qiáng)的防冰性能，顯示出巨大的應(yīng)用潛力。

倒角結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是超疏水表面研究中的一個里程碑進(jìn)展。憑借獨(dú)特的懸垂幾何特征，倒角結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較高的拉普拉斯壓力，從而顯著增強(qiáng)界面穩(wěn)定性以及抵抗液體滲透的能力。這種獨(dú)特的優(yōu)勢推動結(jié)構(gòu)設(shè)計從單一倒角向多級倒角（如雙重/三重倒角、分支倒角以及多種雖非嚴(yán)格設(shè)計但具有凹入曲率特征的新型構(gòu)型）演化。與傳統(tǒng)超疏水表面依賴減小固液接觸面積的策略不同，倒角結(jié)構(gòu)通過懸垂設(shè)計不僅提升了Cassie-Baxter態(tài)穩(wěn)定性，更借由增加固相占比顯著強(qiáng)化了耐久性。然而，當(dāng)前研究集中于倒角結(jié)構(gòu)在室溫下的基礎(chǔ)拒液性和液滴操控行為，其在防冰方面是否仍優(yōu)于非倒角結(jié)構(gòu)，尤其是低溫環(huán)境中Cassie-Baxter態(tài)維持能力與冰粘附特性尚未揭示。此外，在金屬等工程材料表面原位制備一體化倒角結(jié)構(gòu)目前仍缺少有效的技術(shù)方案，限制了對于倒角結(jié)構(gòu)的深入研究及其實際應(yīng)用。設(shè)計制備金屬表面倒角結(jié)構(gòu)，并系統(tǒng)評估其防冰性能，對于實現(xiàn)工程材料表面的穩(wěn)健防冰具有重要指導(dǎo)意義。

為此，研究團(tuán)隊設(shè)計了金屬表面獨(dú)特的倒角結(jié)構(gòu)并開發(fā)了在金屬表面直接制備倒角結(jié)構(gòu)的新方法。該設(shè)計具有獨(dú)特的功能互補(bǔ)體系：微米T型結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)超疏液特性和耐壓性；表面生長的納米結(jié)構(gòu)作為次級能量勢壘，通過多尺度效應(yīng)進(jìn)一步提升綜合性能；微米結(jié)構(gòu)同時作為生長納米結(jié)構(gòu)的機(jī)械框架，為納米結(jié)構(gòu)提供保護(hù)。對微納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，可以獲得性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1.倒角結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)路線簡圖

圖2.材料學(xué)院所設(shè)計制備的倒角結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的疏冰性與抗冰釘性能

研究團(tuán)隊對基于上述原則設(shè)計制備的倒角結(jié)構(gòu)的防冰性能進(jìn)行了全面系統(tǒng)評估，證明了其在低溫下具有優(yōu)異的Cassie態(tài)穩(wěn)定性和防冰性能：不僅具有高達(dá)1665Pa的臨界拉普拉斯壓力，而且展現(xiàn)出迄今為止最長的延遲結(jié)冰時間、超低冰粘附強(qiáng)度以及非凡的疏冰耐久性。液滴在-17℃和70%相對濕度的條件下保持不結(jié)冰超過600分鐘，直至完全蒸發(fā)。初始冰粘附強(qiáng)度低至1.6kPa，并在長達(dá)100次的除冰循環(huán)后＜25kPa。此外，在結(jié)融化循環(huán)實驗中該倒角結(jié)構(gòu)能夠發(fā)生從Wenzel態(tài)到Cassie態(tài)的自發(fā)去濕轉(zhuǎn)變。為了揭示其增強(qiáng)防冰性能的作用機(jī)制，團(tuán)隊通過原位觀測結(jié)冰過程的三相界面運(yùn)動及能量分析，證明了其表面的液滴優(yōu)先固定在微結(jié)構(gòu)蓋子的下角處，該行為協(xié)同提升了熱力學(xué)能量勢壘與結(jié)構(gòu)阻力，從而確保了更高的Cassie態(tài)穩(wěn)定性和更好的抗冰釘性能。該研究工作不僅驗證了倒角結(jié)構(gòu)在低溫下的有效性，更通過結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備工藝的創(chuàng)新，為構(gòu)建高穩(wěn)定性的防冰表面建立了新思路。

圖3.清華材料學(xué)院所設(shè)計制備的倒角結(jié)構(gòu)的全面性能評估及維持有效防冰性能的臨界條件

相關(guān)研究成果以“穩(wěn)健防冰的倒角超疏液金屬結(jié)構(gòu)”（Re-entrant Super-Repellent Metallic Structures for Robust Anti-Icing）為題，于8月19日在線發(fā)表于《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）。

該工作由清華大學(xué)材料學(xué)院鐘敏霖團(tuán)隊獨(dú)立完成。清華大學(xué)材料學(xué)院2022級博士生李代洲為論文第一作者，材料學(xué)院教授鐘敏霖和助理研究員范培迅為論文通訊作者。論文作者所在單位為清華大學(xué)材料學(xué)院激光材料加工研究中心、先進(jìn)成形制造教育部重點(diǎn)實驗室和清華大學(xué)（材料學(xué)院）-航空工業(yè)氣動研究院先進(jìn)材料與防除冰技術(shù)聯(lián)合研究中心。

研究得到國家自然科學(xué)基金項目、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目、清華大學(xué)自主科研計劃項目和防除冰技術(shù)聯(lián)合研究中心項目的支持。

論文鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202508272