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早晨,你顶着寒风走出家门,准备乘飞机去见一位重要的顾客。离门不远的地方,你重重地滑倒在地上——楼外的人行道有时被冰覆盖。
你挣扎着站起来。你很幸运你很强壮。掉下来没关系,但你昨晚刚洗的衣服可以报销。
当你回到家换衣服时,你小心翼翼地走到停车场,正要发动汽车,却发现挡风玻璃上覆盖着厚厚的一层冰。当你终于把车上的冰清理干净时,距离预定的出发时间已经有半个多小时了。
担心错过航班,你急忙赶到机场,发现登机还没开始,心中的一块大石头终于落地了。但很快你就不会高兴了:由于机场跑道和飞机机翼严重结冰,航班大量延误,如果不能按时赴约,影响公司业务,你真的不知道如何向老板解释。
这种“祸不单行”的情景,或许有些夸张,但冰给我们生活的方方面面带来了诸多不便,甚至造成了严重的财产和人员伤亡,这是不争的事实。例如,2008年中国南方省份的雪灾中,大量电线塔因大冰倒塌,导致电力供应和通信严重中断。
由于冰对人类生命的严重威胁,冬季来临时,保护重要固体表面不受这些“意外来访者”的侵袭,一直是一项重要任务。
目前除冰或防冰的方法有:用简单的机械力打破冰层;加热固体表面融冰;喷洒盐和酒精等化学物质降低水的冰点等
尽管这些被称为“主动防冰”的措施是有效的,但其缺点是显而易见的:机械除冰费时费力,而且操作人员还面临着从高处坠落或坠落等潜在风险。2008年南方雪灾中,湖南省三名电业工人周京华、罗昌明、罗海文在输电线路铁塔除冰过程中,因铁塔突然倒塌身亡;固体表面加热需要不小的能量投入;化学药剂除冰会造成地表径流策划的工作职能是什么和地下水污染。
因此,近年来,人们提出了一个新的设想:这种固体材料能否设计出来,即使在没有人为干预的情况下暴露在低温下,其表面也不会附着在冰上,从而一劳永逸地解决由冰引起的各种麻烦
起初,这个目标听起来像是个幻想,但如果你仔细分析,你会发现它并非完全不可能实现。当然,在我们开始设计这种材料之前,我们需要了解为什么好的一端的固体表面突然有一层厚厚的冰
因此,如果过冷水滴落在固体表面,在凝固前迅速流走,就不可能达到永不结冰的目的吗
带着这个目标,研究人员来到大自然寻求灵感,很快他们注意到一个值得模仿的物体:荷叶。
当我们把一滴水放在固体表面时,水滴的重力会驱使水滴在固体表面扩散,形成一层薄液膜。但决定液滴命运的还有另外两种重要力量:第一,水分子和固体表面分子之间的分子间力,类似于重力,会使水在固体表面扩散;第二,水分子之间的分子间力,其作用正好相反,会使水扩散液滴尽可能保持原来的球形。
当水滴体积足够小时,重力的影响可以忽略,水分子之间的相互作用力是固定的,因此水滴在固体表面的“去向”主要取决于固体分子与水分子之间的作用力。如果力足够大,水就会在固体表面扩散,我们称之为水可以渗透固体,相应地,这些固体称之为亲水表面;相反,如果固体和液体分子之间的力很弱,水就会倾向于在固体表面保持球形,我们称之为水不能渗透固体,固体被称为疏水表面。
水在亲水、疏水和超疏水表面接触角的比较。水在亲水、疏水和超疏水表面接触角的比较。
要做到这一点,首先要调整固体表面的化学结构,削弱固体和液体分子之间的分子间作用力。在常见的固体材料中,塑料、橡胶等有机高分子材料的憎水性一般优于金属、陶瓷、玻璃等无机非金属材料,而含氟、硅等元素的高分子材料具有非常的憎水性。例如,著名的聚四氟乙烯,也被称为特氟龙,经常用于不粘锅涂料。水在其表面的接触角约为130度
但荷叶表面的水接触角很容易超过150O,可见荷叶的疏水能力仍比聚四氟乙烯高出一大截。差距从何而来
当科学家们将荷叶表面置于电子显微镜下,终于解开了谜团:荷叶表面并不光滑,而是布满了许多直径、高度和间距只有十几到几十微米的小圆柱。
事实上,正是这些粗糙的微结构使荷叶具有很强的疏水能力。那么这背后的真相是什么
我们知道,如果我们忽略重力,水滴应该在空气中形成一个完美的球体。这意味着,如果我们把空气当作固体来处理,水在其表面的接触角应该是180度,也就是说,空气比所有其他固体都具有更强的疏水性。
当一滴水落在荷叶表面时,由于微结构的限制,水滴无法渗入空间,因此水滴表面的一部分会与空气接触,这是一种非常疏水的“固体”。荷叶表面覆盖一层蜡,具有良好的疏水性。因此,两者结合的结果是荷叶表面表现出较强的疏水能力。不仅如此,疏水性的增加还带来了另一个“大礼物”,即水滴流上的摩擦力也随之减小。在像荷叶一样的表面上,固体不仅有轻微的倾斜,而且水滴还会滚下来。此外,当高处的水滴撞击地面时,它可能会再次弹起[1-4]。
科学家们满怀期待地测试了超疏水表面的抗冰能力,并取得了一些令人满意的结果。例如,在2010年的一项研究中,当过冷水滴到普通的亲水甚至疏水表面时,它会很快冻结,但当它落在超疏水表面时,它会很快弹出,这样固体表面就不会受到冻结的困扰[5]。
当过冷水滴在倾斜的超疏水表面(图C)上时,过冷水会迅速上升,使固体表面长期保持无冰状态;相反,在相同条件下,传统的亲水表面(图a)和疏水表面(图b)会很快被冰覆盖。最右边的图片显示了在电子显微镜下看到的超疏水表面的微观结构,尺寸为10微米。(图片来源:参考文献[5])过冷水滴入倾斜的超疏水表面(图C)后会迅速弹出,使固体表面长期保持无冰状态;相反,在相同条件下,传统的亲水表面(图a)和疏水表面(图b)会很快被冰覆盖。最右边的图片显示了在电子显微镜下看到的超疏水表面的微观结构,尺寸为10微米。(图片来源:参考文献[5])
但很快,研究人员困惑地发现,在随后的一些试验中,超疏水表面往往“失去机械力”,其抗冰能力并不比普通固体表面好多少。为什么会出现这种矛盾
正如我们刚才所提到的,超疏水表面抗冰的关键是,落在表面上的液滴在有机会结冰之前很快就会脱落,但在很多情况下,这样做并不容易。例如,刚刚在那项研究中提到,科学家们发现,随着温度的降低,水的粘度增加,当它落到固体表面时,可能无法及时弹起,而是像普通表面一样结冰[5]。
超疏水表面一旦形成冰层,往往要借助机械力等手段将其除去,很可能造成更为恶劣的后果,即其表面的微观结构在除冰过程中受到部分破坏,也会使水落入微观结构之间的缝隙,导致大大削弱了它的抗冰能力。例如,一些研究表明,在大约20次除冰循环之后,超疏水表面和冰层之间的粘附力将显著增加[6]。
由于超疏水表面在防冰除冰应用中的局限性,近年来,研究者开始关注另一种同样受到自然启发的表面结构,即著名的食虫植物水罐。