导 读

冬季北半球50%以上的陆地被冰雪覆盖，这对维持大气、地质和生命系统都至关重要。然而，固体表面不同形式的冰(如霜、雪、釉和雾)严重威胁人类社会的能源安全。例如，结冰问题会增加大坝和船闸、飞机、特快列车、空调、冰箱、风力涡轮机、太阳能电池板、电力线路、悬索桥、热泵和海上石油平台等基础设施的能源消耗，降低设备运行效率，引发电气和机械故障，增加设施运行风险。

电热融冰、化学防冻剂、机械除冰、高压直流、电脉冲等主动防冰策略因其高效性是目前应用最广泛和普遍的方法。然而，大多数主动防冰策略能耗高、成本高、功效低且环境负荷大。

为解决这些问题，王健君课题组与贺志远课题组研究出了抵抗水凝结、抑制冰成核、防止冰传播和减少冰黏附的被动防冰策略。主要包括: 

(1)冰成核是限制冰形成速率的关键步骤，一种旨在防止非均相冰成核的防冰方法引起了广泛关注。通过控制表面电荷和电荷密度、抗衡离子类型、羟基密度、表面粗糙度和缺陷、表面结晶晶格结构和表面局域电场，可以调节不同表面的冰成核温度，例如，聚电解质水凝胶涂层表面使冰成核温度低于-30 ℃。

(2)控制冰传播对于防冰应用至关重要。在聚电解质多层膜、聚电解质水凝胶和多层水凝胶表面，通过简单改变抗衡离子和聚电解质类型，冰的传播速率可以降低3个数量级。

(3)冰黏附强度对防冰策略的影响也不能忽视。可通过调节界面水结构、流动性和数量来对其控制。自润滑液态水层已被证明是冰附着性极低的疏冰表面，其上结冰很容易通过风吹脱落。

(4)为抑制凝结冻结和去升华，研究了超疏水表面去除冲击水滴和凝结水滴的能力——表面液体水滴可被快速移走，使表面无水可结冰。

需要指出的是，上述主动或被动防冰策略均不能独自满足多样化的应用要求。理想情况下，未来需要结合主动和被动防冰优点，寻找对环境无害且经济高效的防冰策略。例如，电热防冰与光热防冰策略结合，可突破风力发电领域全天连续不结冰的应用瓶颈，即电热防冰方式和光热防冰方式相得益彰——前者在夜间有效，而后者在白天有效；再如，电热防冰膜与超疏水涂层相结合在航空、铁路和风机叶片等领域应用前景广阔，电热防冰膜上融化的冰容易从超疏水涂层上脱落，避免再次冻结；还如，工业机器人除冰与超低冰附着涂层方法结合，在太阳能电池板、电力线路、悬索桥和海上石油平台等领域应用潜力巨大。值得注意的是，机械除冰方法缺失会导致大多数超低粘冰涂层失效，因为冰不能靠重力自行脱落。主动和被动防冰方法的组合具有通用性和突出性。

责任编辑

施珊珊   南京大学

宋国宝   大连理工大学