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澳门微尼斯人娱乐化学所防冰表面材料研究工作

发布时间:2019-07-14 22:30编辑:化学科学浏览(166)

    结冰现象普遍存在,给我们的生活与生产带来极大的不便。如何降低设备的运行效率,避免安全隐患甚至灾难性事故,已经引起了社会的普遍关注。

    输电设备、飞行器、船舶及地面交通工具等表面的结冰会影响这些设备正常运行,严重时对经济和民生造成巨大的损失。2008年初,我国南方地区遭受的冰雪灾害,直接经济损失达上千亿元。我们每年用于冰箱、空调除冰、除霜所耗电量与三峡发电站年发电量相当。解决冷表面结冰问题的关键是从分子层面理解并控制冰在冷表面上的生长。冷表面上的冰晶形貌是水分子与固体表面相互作用的结果。冬天窗户上的冰晶形貌不一、令人着迷;近年来有不少理论和实验研究固体表面水分子的微观结构。但是,冰晶的宏观形貌和固体表面水分子的微观结构的相互关系却是未解之谜。

    在科技部、国家自然科学基金委及中国科学院的支持下,化学所绿色印刷院重点实验室研究人员在防冰材料研究方面取得了系列成果。他们在过冷度较低表面尚未结冰时,通过构建对冷凝水滴低黏附的微纳复合结构表面材料,有效利用冷凝微米水滴在合并时释放的表面能,使落到或冷凝在材料表面上的过冷水能在结冰之前快速自动地移走,实现无冰可结表面(Langmuir 2012, 28, 10749-10754;Soft Matter 2012, 澳门微尼斯人娱乐,8, 6680-6683;Advanced Materials 2013, 25, 2291-2295;Chemical Communications. 2013, 49, 4516-4518)。受滑冰等冰上运动的启发,研究人员通过在材料表面引入水润滑层以大大降低冰黏附力,实现了涂层上的冰在风力的作用下得以脱落(Applied Physics Letters 2012, 101, 111603; ACS Applied Materials & Interfaces 2013, 5, 4026–4030.)。由于在防冰材料领域系统的研究工作,最近应ACS Nano期刊邀请撰写了防冰材料综述(ACS Nano 2014, DOI: 10.1021/nn406522n)。

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    以上成果近期得到了国际同行的关注。在2014年美国物理学会三月会议上,化学所防冰材料的研究进展受到大会的亮点报导,并在该年会的安排下召开了网络新闻发布会 (

    图1 冰晶在不同表面上的生长模式

    绿色印刷院重点实验室

    在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下,化学所绿色印刷院重点实验室的科研人员通过近8年的时间,自主搭建了不同尺度下观察表面冰晶成核(Science Adv.**2016, 2, e1600345; Proc. Natl.Acad. Sci. USA,2016, 113, 14739;Adv. Mater.2016, 28, 5008)、冰晶生长(Angew. Chem. Int. Ed.2017, 56, 997;J. Am. Chem. Soc.2017,139, 12517;Adv. Mater.2017, 29, 1606843)及冰晶重结晶(Nat. Commun.2017,8, 15154;ACS Nano,2017*, 11*, 9898)等过程的研究平台。最近,他们通过在表面上引入纳米成核剂的方法,排除了冰晶成核及冰晶生长过程中释放的潜热对冰晶形貌的影响,研究了不同浸润性固体表面上的冰晶生长。他们发现,当固体表面的接触角小于一个临界值时,冰晶沿着表面生长;而当固体表面的接触角大于这个临界值时,冰晶离开表面生长。通过与美国林肯大学的曾晓成教授课题组合作,通过分子动力学模拟发现固体表面类冰界面水的存在与否是决定冰晶生长的关键原因;实验和模拟都证实了冰晶生长模式转换的临界接触角值约为35度,成功地建立了界面水的微观结构与宏观冰晶形貌之间的关系。

    2014年3月28日

    此外,他们利用冰晶离开表面生长时与表面接触面积小,使冰与固体表面粘附低的实验发现,通过在表面喷涂冰成核剂的方法,实现了超低冰粘附的表面,使表面附着的冰在微风作用下得以脱落,为制备超低冰粘附防覆冰涂层提供了全新的思路和方法。该研究论文发表Proc. Natl.Acad. Sci. USA**2017**,114 : 11285-11290上,并被Nature以“Watching how surface properties affect ice growth”为题亮点报道。

    绿色印刷院重点实验室

    2017年12月12日

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