摘要：一旦超疏水錶面形成了冰層，我們往往不得不通過機械力等手段將其清除，而這很有可能造成一個雪上加霜的結果，那就是其表面的微觀結構在除冰過程中遭受部分破壞，這同樣可以使得水滴進入微觀結構之間的空隙，導致其防冰能力大打折扣。例如有研究表明，超疏水錶面經過20次左右的結冰-除冰循環後，表面與冰層之間的黏附力就會顯著增加[6]。

來源：中國科普博覽

又一個冬天到來了。

早晨，你頂着凜冽的寒風走出家門，準備飛赴外地拜見一位重要的客戶。出門沒走多遠，你就重重地滑倒在地——樓外的人行道上不知什麼時候結了一層冰。

你掙扎着站起來，慶幸自己身板結實，摔了一跤並無大礙，但昨晚剛洗乾淨的衣服卻就此“報銷”。

回家重新換好衣服，你小心翼翼地走到停車場，正準備發動汽車，卻懊惱地發現車擋風玻璃上覆蓋着厚厚的一層冰。當你終於把車上的冰層清理乾淨時，距離原定的出發時間已經過去了半個多小時。

擔心錯過航班的你匆匆趕到機場，發現登機還未開始，心裏的一塊大石頭終於落了地。然而很快你就高興不起來了：由於機場跑道和飛機機翼結冰嚴重，航班大量延誤，如果因此不能按時赴約，影響了公司的生意，你真不知道如何向上司交代呢。

圖片來源：Veer圖庫

如此“禍不單行”的場景或許有些誇張，但結冰給我們生活的方方面面帶來諸多不便，甚至造成嚴重的財產和人員傷亡，卻是不爭的事實。如在2008年發生在我國南方各省的雪災中，大量的電線、鐵塔等因結冰不堪重負而倒塌，造成了嚴重的電力供應和通訊中斷等。

正是因爲結冰對人類生活帶來的嚴重威脅，每逢冬季來臨，保護重要的固體表面免受這些“不速之客”的困擾總是至關重要的任務。

目前的除冰或防冰方法無非以下幾種：用單純的機械力將冰層敲碎破除；加熱固體表面使冰融化；噴灑鹽、醇等化學物質來降低水的凝固點等。

這些被稱爲“主動防冰”的手段雖然行之有效，但弊端也很明顯：機械除冰費時費力，而且操作者還會面臨潛在的危險，例如從高處滑落或者摔傷。在2008年的南方雪災中，湖南省的周景華、羅長明、羅海文三位電力職工就是由於在爲輸電線鐵塔除冰過程中鐵塔突然倒塌而不幸光榮殉職；加熱固體表面需要不小的能源投入；而利用化學試劑除冰則有可能導致地表徑流和地下水受到污染。

因此，近些年來，人們提出了一個全新的構想：能否設計這樣一種固體材料，它的表面即使沒有人爲的干預，暴露在低溫下也不會附着冰層，從而一勞永逸地解決結冰帶來的種種煩惱？

這就是所謂的“被動防冰”手段。

這一目標初聽起來像是天方夜譚，但如果仔細分析一下卻會發現其實並非完全不可能。當然，在開始設計這種材料前，我們首先需要明白，好端端的固體表面爲什麼突然就附着了厚厚的一層冰呢？

超疏水錶面：向凍雨說不？

造成固體表面結冰的其中一種原因是凍雨。凍雨是非常令人頭疼的一種自然災害。2008年給我國南方造成嚴重人員和財產損失的雪災中，有不少損失就來自凍雨帶來的冰凍。發生凍雨時，溫度低於0 oC的水滴，即所謂過冷水滴，從空中降下，遇到固體表面就會迅速結冰。

那麼如果過冷水滴落地固體表面後，在還沒來得及凝固之前就迅速流走，不就有可能實現永不結冰的目標了嗎？

Part.1

向荷葉“取經”——

微觀結構和蠟質覆蓋的強強聯合

帶着這一目標，研究人員到大自然中尋找靈感，他們很快注意到一個值得效仿的對象：荷葉。

如果我們仔細觀察就會發現，落在荷葉上的水滴不僅總是會保持球形，而且當微風吹過，葉片略有傾斜時，水滴很快就會滾落。相反，落在玻璃上的水滴不僅會鋪展開，而且只有我們大幅度傾斜玻璃時，水滴纔會流下。

那麼荷葉表面究竟有什麼奧妙呢？要回答這個問題，我們需要先來理解幾個基本概念。

當我們把一滴水放在固體表面上時，水滴的重力會驅使液滴在固體表面鋪展開形成一層薄薄的液膜。但決定液滴命運的還有另外兩種重要的力量：首先是水分子與固體表面分子之間的分子間作用力，它和重力類似，會使得水在固體表面鋪展開；其次是水分子之間的分子間作用力，它的效果剛好相反，它會使得水滴儘量保持原有的球形。

當水滴體積足夠小時，重力的作用可以忽略不計，而水分子之間的相互作用力也固定不變，因此水滴在固體表面“何去何從”主要取決於固體分子與水分子之間的作用力的大小。如果這種作用力足夠強，那麼水會在固體表面鋪展開，我們稱爲水能夠浸潤固體，而對應地，這些固體被稱爲親水錶面；相反，如果固液分子之間的作用力很弱，水會傾向於在固體表面保持球形，我們稱爲水不能浸潤固體，而固體則被稱爲疏水錶面。

要想確定一種固體表面親水或者疏水的作用有多強，我們可以測定液滴邊緣與固體表面之間的夾角，即通常所說的接觸角。不難看出，當水滴在固體表面完全鋪展開時，接觸角應爲0o，而如果水滴完全保持球形，接觸角則應爲180o。 因此，接觸角越大，表明固體疏水性越強。

水在親水、疏水和超疏水錶面上的接觸角的比較。

顯然，要想提高表面的防冰效果，提升固體表面的疏水性是一個很自然的選擇。

要實現這一點，我們首先要調整固體表面的化學結構，削弱固液分子之間的分子間作用力。在常見的固體材料中，塑料、橡膠等有機高分子材料的疏水性通常要優於金屬以及陶瓷、玻璃等無機非金屬材料，而含有氟、硅等元素的高分子材料更是有着超乎尋常的疏水能力。例如大名鼎鼎的聚四氟乙烯，也就是經常被用於不粘鍋塗層的特氟龍，水在其表面的接觸角在130o左右。

然而水在荷葉表面的接觸角可以輕鬆超過150o。顯然，荷葉的疏水能力依舊比聚四氟乙烯高出一大截。這種差距究竟來自何處？

當科學家們將荷葉表面放到電子顯微鏡下觀察時，終於揭開了謎底：荷葉的表面並非光滑，而是佈滿了許多直徑、高度和間距都只有十幾到幾十微米的小柱子。

事實上，正是這些粗糙不平的微觀結構讓荷葉具有極強的疏水能力。那麼這背後究竟是什麼道理呢？

我們知道，如果忽略重力，那麼水滴在空中應該形成完美的球形。這意味着如果我們把空氣也當成一種固體，那麼水在它表面的接觸角應該是180o，也就是說，空氣擁有比其它所有固體都強的疏水性。

當一滴水落在荷葉表面上時，由於微觀結構的限制，水滴無法滲透進其中的空間，因此水滴表面有一部分會與空氣這種極其疏水的“固體”相接觸。而荷葉表面覆蓋着一層蠟質，它本身也有不錯的疏水能力。因此二者“強強聯手”的結果，就是荷葉表面展現出極強的疏水能力。不僅如此，疏水性的增加還帶來了另一份“大禮”，那就是水滴流動時所受的摩擦力也隨之減小。像荷葉這樣的表面，不僅固體稍有傾斜液滴就會滾落而下。而且當高處落下的液滴撞擊到表面上時，還有可能再次彈起[1-4]。

Part.2

超疏水錶面：優勢和侷限並存

瞭解了荷葉的祕密後，科學家們如法炮製，將微觀結構引入常規的疏水錶面中，從而使得固體的疏水作用更上一層樓，得到了我們通常所說的“超疏水錶面”。

滿懷着期待，科學家們對超疏水錶面的防冰能力進行了測試，確實也得到了一些令人滿意的結果。例如在2010年的一項研究中，過冷水滴落到普通親水甚至疏水錶面上都會迅速結冰，但落到超疏水錶面卻會迅速彈開，從而讓固體表面不受結冰的困擾[5]。

過冷水滴落在傾斜的超疏水錶面（圖C）上後會迅速彈起，從而使得固體表面長時間保持不結冰狀態；相反，常規的親水錶面（圖A）和疏水錶面（圖B）在相同條件下都會迅速被冰層覆蓋。最右圖爲電子顯微鏡下看到的超疏水錶面上的微觀結構，標尺爲10微米。（圖片來源：參考文獻[5]）

但很快，研究人員就困惑地發現，在後續的一些測試中，超疏水錶面卻常常“敗走麥城”，其防冰能力並不比普通的固體表面強太多。爲什麼會出現這種矛盾的情況呢？

剛纔我們提到，超疏水錶面能夠防冰的關鍵在於落到表面上的液滴在有機會結冰之前就迅速彈開，但很多情況下，要做到這一點並不是那麼容易。例如剛纔提到那項研究中，科學家們就發現，隨着溫度降低，水的粘度增加，落到固體表面上後就可能無法及時彈起，而是像普通表面一樣結冰[5]。

另外，如果雨滴撞擊表面時的速度過快，或者環境溼度較高時導致水蒸汽直接在固體表面凝結，還會導致另一種更爲糟糕的情況，那就是撞擊到固體表面的過冷水滴得以進入微觀結構之間原本由空氣佔據的孔隙。此時雖然水滴在固體上的接觸角仍然可以接近180o， 但水滴流動時的摩擦力卻大大增加，因此當固體傾斜時，液滴不再是迅速流下，而是“依依不捨”地留在固體表面[4]。不難想象，當凍雨來臨時，這樣的表面不僅很難起到防冰效果，而且由於粗糙不平的表面增加了冰和固體之間的黏附力，表面上的冰反而更加難以清除。

一旦超疏水錶面形成了冰層，我們往往不得不通過機械力等手段將其清除，而這很有可能造成一個雪上加霜的結果，那就是其表面的微觀結構在除冰過程中遭受部分破壞，這同樣可以使得水滴進入微觀結構之間的空隙，導致其防冰能力大打折扣。例如有研究表明，超疏水錶面經過20次左右的結冰-除冰循環後，表面與冰層之間的黏附力就會顯著增加[6]。

正是由於超疏水錶面在防冰除冰應用中的侷限性，近些年來，研究人員開始將注意力轉移到另一種類型的表面結構，而這種結構同樣是來自於大自然的啓發，那就是著名的食蟲植物豬籠草。