Matter：涉及千亿产业，防覆冰水凝胶带来一站式解决方案

纳米人

2020-02-04

第一作者：贺志远

通讯作者：贺曦敏，王健君，朱新远

通讯单位：加州大学洛杉矶分校，中国科学院化学研究所，上海交通大学

研究亮点：

1. 受抗冻蛋白启发设计了多功能防覆冰材料。

2. 通过疏水性和离子特异性调节界面水。

3. 实现了多功能集成的防冰性能。

防覆冰材料/技术面临的问题

结冰是自然界中常见的相变过程，然而输电设备、飞行器、船舶以及道路等表面上的结冰会影响设备的正常工作，在经济、能源、环境等多方面造成巨大的损失。2008年初，中国南方地区遭受的冰雪灾害，直接经济损失达上千亿元。自然界中，冰形成的主要步骤包括表面冰成核、冰传递，并最终粘附在表面上。在不同的气温和环境下形成的冰的形貌迥异，包括雨凇、雾凇、冻雨以及雪等，给防冰材料设计制备带来了巨大的困难。现有的防冰材料主要着眼于某种定条件下的单一功能，并不利于普适性的防冰应用。

成果简介

近日，加州大学洛杉矶分校贺曦敏课题组，与中科院化学所王健君课题组，上海交通大学朱新远课题组合作，受抗冻蛋白的启发设计了一种仿生多功能防覆冰水凝胶。将疏水的聚二甲基硅氧烷链接枝于亲水的聚电解质网络中，通过疏水性和离子特异性的协同作用来调节界面水的性质，使得此聚电解质水凝胶能够首次实现同时调控覆冰过程的三大方面：(1)抑制冰的成核、(2)降低冰的传递，并(3)大幅度降低表面冰粘附力。

图1. 受抗冻蛋白启发设计的一种多功能防覆冰水凝胶。

要点1：离子特异性调节冰异相成核温度

离子特异性能够有效调控冰异相成核的行为，影响水分子结构由类液水向类冰水的转变过程。冰成核的效率随着类冰水的相对含量增加而提高。通过调节聚电解质凝胶中抗衡离子的种类和浓度可以调节界面水结构，进而可以抑制或促进冰成核。置换了PFO^-（全氟辛酸钠）离子的PG1凝胶冰异相成核温度可低至‒29.9^oC，在‒28^oC的低温下表面可保持4800s不结冰。

图2. 调节抗衡离子抑制冰异相成核。

要点2：延缓冰传递速率

由于物体表面含有污染物、灰尘和表面缺陷，在实际应用中冰成核常常难以避免，并且不可控冰核会在防冰表面快速传递蔓延，最终导致整个表面覆冰。冰传递的速率定义为冰传递蔓延的面积与其所花时间的比值。通过降低冰传递的速率，来延缓冰在表面上的形成也是一种有效的防冰策略。由于水合表面上的冰传递行为受到界面水扩散速率的影响，通过调节疏水性和离子特异性可以有效调控表面冰传递速率。最终, 置换了PFO^-离子的PG1水凝胶在-15^oC下的冰传递速率可低至0.002cm²/s.

图3. 疏水性和离子特异性协同延缓冰传递速率。

要点3：超低冰黏附

在极低温环境条件下，材料表面上的覆冰不可避免。在这种情况下，低表面冰粘附强度可以保证冰能轻易从表面上被移除。受滑冰的启发，利用界面水作为润滑层大幅度降低冰粘附。未改性的水凝胶在低温下凝胶内外的水全部结冰，不存在水润滑层，此时冰黏附强度高达200kPa；而引入了PDMS侧链后，由于疏水链段的加入有助于界面水保持未冻结状态，PG1-PG3等材料的冰黏附强度均大大下降，最低可低于20kPa。

图4. 水润滑层极大降低冰黏附强度。

要点4：低温环境下的防冰综合性能测试

此种水凝胶可涂覆于不同的基材上，例如铜、铝、不锈钢、陶瓷、玻璃、聚乙烯等材料。在-25^oC的低温环境下，这些材料表面的结冰时间大大延缓，表面的冰粘附强度也极大降低，表面覆冰可被微风迅速除去。

图5. 实际防冰应用。

小结

作者通过协同调节聚电解质水凝胶中的疏水性和离子特异性，调控冰异相成核、冰传递的行为，并大幅降低其表面的冰粘附强度，从而实现了多元调控抑制及延缓冰在表面上的形成。如果采取双网络水凝胶、无机/水凝胶复合等策略可以进一步增强其机械强度，实现到功能集成的防冰水凝胶在防覆冰领域中的应用。

参考文献

He et al., Bioinspired Multifunctional Anti-icing Hydrogel, Matter(2019).

DOI: 10.1016/j.matt.2019.12.017

https://doi.org/10.1016/j.matt.2019.12.017

团队简介

UCLA贺曦敏团队致力于研发仿生多功能水凝胶，推动其在环境、能源、机器人等领域的应用。近期成果包括：

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https://m.weibo.cn/status/If7h2rfUX?from=singlemessage&jumpfrom=weibocom

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Advanced Materials 2018, 30, 21, 1800468

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