在嚴寒和高(gao)海(hai)拔(ba)地(di)區，積(ji)雪問題正逐漸成(cheng)為制(zhi)約能源(yuan)與(yu)智能(neng)設(she)備(bei)運(yun)行的關鍵(jian)因素。光(guang)伏(fu)面板(ban)被積(ji)雪覆蓋後，發電效(xiao)率驟(zhou)降(jiang)；風力(li)葉片上的雪層(ceng)擾亂空(kong)氣動(dong)力(li)性(xing)能(neng)；橋(qiao)梁(liang)纜索因積(ji)雪凍(dong)融反復帶(dai)來疲勞(lao)損(sun)傷(shang)；無(wu)人(ren)機、高(gao)速列車(che)等設(she)備(bei)的(de)攝像頭、雷達壹(yi)旦(dan)覆雪，更(geng)是可(ke)能導(dao)致(zhi)系統直(zhi)接失(shi)效(xiao)。 雖(sui)然(ran)近年來(lai)湧(yong)現出(chu)大量(liang)超(chao)疏(shu)水(shui)、自(zi)潤(run)滑(hua)、光(guang)熱防(fang)冰等界(jie)面材料(liao)，但這些(xie)設計(ji)多(duo)以“防(fang)冰"為核(he)心(xin)，缺(que)乏對(dui)“防(fang)雪"機制的系統研(yan)究。很(hen)多(duo)研(yan)究表明(ming)，許(xu)多(duo)防(fang)冰材料(liao)在濕雪條(tiao)件下非(fei)但無(wu)法減少(shao)粘附(fu)，反而(er)造成(cheng)雪層(ceng)“卡(ka)死(si)"在(zai)表面，難(nan)以自(zi)然(ran)滑(hua)落。這背後，根源(yuan)在(zai)於(yu)冰與(yu)雪在界(jie)面粘附上的(de)本(ben)質(zhi)差異(yi)。雪是由(you)冰粒(li)、水(shui)與空(kong)氣混(hun)合(he)物，其與固體的(de)界面行為更(geng)為復雜(za)。因此，開展防(fang)雪材料(liao)研(yan)究，能為戶(hu)外設備(bei)在(zai)嚴寒條(tiao)件下的穩(wen)定運行提(ti)供更(geng)實用(yong)的解(jie)決方(fang)案(an)。

近日(ri)，西北工業大學苑(yuan)偉(wei)政(zheng)教(jiao)授(shou)、何(he)洋(yang)教授(shou)團(tuan)隊(dui)在《Advanced Materials》期(qi)刊(kan)發(fa)表研(yan)究成(cheng)果“A Bioinspired Micro-Grooved Structure for Low Snow Adhesion and Effective Snow-Shedding"，揭示(shi)了(le)雪在界(jie)面上的粘附(fu)行(xing)為，提(ti)出(chu)壹(yi)種(zhong)仿(fang)秦(qin)嶺箭(jian)竹(zhu)葉片的微(wei)溝(gou)槽結(jie)構，有(you)效(xiao)削(xue)弱了(le)範(fan)德華(hua)力(li)和(he)毛(mao)細(xi)力(li)，實(shi)現了(le)積(ji)雪的低粘(zhan)附(fu)與自(zi)脫(tuo)落(luo)。這項(xiang)工作突(tu)破(po)了(le)防(fang)雪=防(fang)冰的(de)傳(chuan)統(tong)思(si)路(lu)，為惡(e)劣(lie)天(tian)氣下的能(neng)源(yuan)系(xi)統、橋(qiao)梁設(she)施(shi)提(ti)供了(le)新(xin)型防(fang)護策略(lve)。

1.幹雪與濕雪

不(bu)同於結(jie)構致(zhi)密的冰(bing)層(ceng)，雪是由(you)冰粒(li)、液態(tai)水(shui)和空(kong)氣混(hun)合(he)構(gou)成(cheng)的多(duo)相物質(zhi)。尤其在0℃附(fu)近的濕雪狀(zhuang)態(tai)，其界面會因液橋(qiao)效(xiao)應(ying)產生很(hen)強(qiang)的(de)毛(mao)細(xi)吸附，粘附力(li)遠(yuan)高(gao)於幹雪。研(yan)究團(tuan)隊(dui)通過調節雪中水(shui)含量（LWC）研(yan)究幹濕雪的界(jie)面粘附變化(hua)。實(shi)驗(yan)發(fa)現：幹雪狀(zhuang)態(tai)下，各(ge)類工程(cheng)材料(liao)表面的粘附力(li)普遍低於(yu)100 Pa，差(cha)異不(bu)大(da)；而(er)在(zai)濕雪狀(zhuang)態(tai)下，粘(zhan)附力(li)迅(xun)速上升(sheng)，鋁(lv)、PTFE等常(chang)用(yong)材料(liao)在LWC大(da)於(yu)16%時(shi)雪粘附(fu)強(qiang)度(du)均(jun)顯(xian)著增(zeng)大(da)，部(bu)分(fen)樣(yang)品(pin)的濕雪粘附(fu)強(qiang)度(du)是幹雪的10倍(bei)以上(shang)。這壹(yi)現象(xiang)凸顯(xian)了(le)雪固界面行為的(de)復雜(za)性，並展示(shi)了(le)防(fang)雪研(yan)究的迫(po)切需求(qiu)。

圖1. 雪的性(xing)質(zhi)以及(ji)秦(qin)嶺箭(jian)竹(zhu)葉的低雪粘附(fu)特性(xing)。

2.從秦(qin)嶺箭(jian)竹(zhu)葉啟(qi)發(fa)：仿生微(wei)溝(gou)槽結(jie)構

在自(zi)然(ran)界中，秦(qin)嶺箭(jian)竹(zhu)能(neng)在(zai)風雪中長(chang)時(shi)間保(bao)持(chi)葉面無(wu)雪覆蓋，團(tuan)隊(dui)通過顯微(wei)觀(guan)察(cha)發(fa)現其表面具(ju)備(bei)規則(ze)的(de)微(wei)溝(gou)槽結(jie)構。研(yan)究人員(yuan)利用(yong)摩方(fang)精(jing)密(mi)面投影(ying)微(wei)立(li)體光(guang)刻(ke)（PμSL）3D打印技(ji)術(shu)（nanoArch® S130，精(jing)度(du)：2 μm）制備(bei)了(le)壹(yi)系(xi)列間(jian)距(ju)與(yu)高(gao)度不(bu)同的仿生(sheng)微(wei)溝(gou)槽樣品(pin)，考(kao)察(cha)了(le)其對(dui)雪固粘附(fu)行為的(de)影(ying)響。研(yan)究結(jie)果顯(xian)示，結(jie)構高(gao)度低於(yu)30 μm時(shi)幾乎(hu)無(wu)效(xiao)；而(er)當高(gao)度提(ti)升(sheng)至(zhi)100 μm以上(shang)，粘附(fu)力(li)急(ji)劇下(xia)降(jiang)，可(ke)達30 Pa，約為光(guang)滑(hua)表面的十分(fen)之壹(yi)。此外，結(jie)構的(de)寬(kuan)高(gao)比（S/H）成(cheng)為決定粘附強(qiang)度(du)的關鍵指(zhi)標——越窄、越深(shen)的(de)溝(gou)槽結(jie)構，其“真(zhen)實接觸(chu)面積(ji)"越小，對(dui)範(fan)德(de)華(hua)力(li)與(yu)毛(mao)細(xi)力(li)的(de)抑(yi)制(zhi)越顯(xian)著(zhu)。更(geng)重要(yao)的是，V型溝(gou)槽還(hai)能(neng)起(qi)到(dao)“導(dao)水(shui)+儲水(shui)"功能。當雪中自(zi)由(you)水(shui)滲入界(jie)面後，其優先(xian)包覆雪粒、而(er)非(fei)潤濕固體表(biao)面，隨後在重力(li)作用(yong)下回(hui)落到(dao)V型(xing)槽底(di)，有(you)效(xiao)實(shi)現了(le)固液界(jie)面的物理(li)分(fen)離(li)，進(jin)壹(yi)步(bu)削(xue)弱毛(mao)細(xi)作用(yong)。

圖2. 雪固粘附(fu)行為。

3.雪固脫(tuo)粘(zhan)附(fu)行(xing)為：機械互鎖作用(yong)

研(yan)究還(hai)發(fa)現，很(hen)多(duo)超(chao)疏(shu)水(shui)表面雖然(ran)粘附力(li)很(hen)低，但(dan)濕雪卻很(hen)難(nan)自(zi)然(ran)脫(tuo)落(luo)。原(yuan)因在於表(biao)面粗(cu)糙(cao)結(jie)構與(yu)雪粒之間發(fa)生“機械互鎖"，阻礙了(le)積(ji)雪滑(hua)動，導(dao)致(zhi)雪層(ceng)在(zai)傾斜(xie)表面也無(wu)法自(zi)發(fa)下(xia)滑(hua)。進壹(yi)步(bu)分(fen)析發(fa)現，當雪粒直(zhi)徑與表面粗(cu)糙(cao)度特征(zheng)尺寸(cun)相匹(pi)配(pei)時(shi)，機械互鎖作用(yong)強(qiang)烈(lie)。通過估(gu)算，即便只(zhi)有(you)5%的粗(cu)糙(cao)峰(feng)與(yu)雪粒發(fa)生互(hu)鎖(suo)，其產生(sheng)的(de)阻礙強(qiang)度(du)也可(ke)能(neng)高(gao)達23.7 kPa。 相比之下，仿(fang)生微(wei)溝(gou)槽結(jie)構因其周期(qi)性(xing)“光(guang)滑(hua)路徑"設計(ji)，能有效(xiao)避免(mian)互鎖(suo)現象(xiang)。實驗(yan)中，在45°傾角(jiao)下(xia)，微(wei)溝(gou)槽表面能實現3分(fen)鐘內(nei)積(ji)雪自(zi)然(ran)脫(tuo)落(luo)，而(er)超(chao)疏(shu)水(shui)結(jie)構很(hen)難(nan)依靠(kao)積(ji)雪自(zi)重(zhong)脫(tuo)落(luo)。同時(shi)，在兼(jian)顧(gu)防(fang)冰需(xu)求(qiu)方(fang)面，研(yan)究團(tuan)隊(dui)進壹(yi)步(bu)在(zai)溝(gou)槽內部(bu)沈(chen)積(ji)超(chao)疏(shu)水(shui)納米(mi)粒(li)子，構(gou)建出(chu)“MG@SHS"雙功能結(jie)構。該(gai)復合(he)結(jie)構在(zai)保持(chi)微(wei)溝(gou)槽良(liang)好脫(tuo)雪能力(li)的(de)同時(shi)，提(ti)升(sheng)了(le)其在多(duo)輪(lun)凍(dong)融循(xun)環下的抗冰粘(zhan)附(fu)性能。該(gai)策(ce)略有望應(ying)用(yong)於光(guang)伏(fu)板(ban)表面、軌道交通設備(bei)等在(zai)復雜(za)氣候下運行的(de)關(guan)鍵(jian)設施(shi)。

圖3. 雪固脫(tuo)粘(zhan)附(fu)行(xing)為。

4.總(zong)結(jie)

本研(yan)究系統(tong)區分(fen)了(le)“雪"與“冰(bing)"在粘(zhan)附(fu)機制上的差異(yi)，提(ti)出(chu)了(le)基於(yu)“範(fan)德華(hua)力(li)+毛(mao)細(xi)力(li)+機械互鎖"的雪固界面粘附-脫(tuo)粘(zhan)附(fu)行(xing)為機制，構建了(le)壹(yi)種(zhong)集(ji)防(fang)冰、防(fang)雪和防(fang)水(shui)功能於(yu)壹(yi)體(ti)的多(duo)功能設(she)計(ji)，為解(jie)決復雜(za)氣候下設備(bei)表(biao)面附雪問題提(ti)供了(le)理(li)論基礎與實(shi)踐(jian)方(fang)案(an)。