新型纳米涂层可防止物体表面结冰

2010-11-16 10:01 来源: 中国科学院
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  美国哈佛大学的研究人员开发出了一种纳米涂层,在低温下能使滴溅在其表面的水滴未及结冰就滑落。该技术有望实现永不结冰的飞机机翼和输电线路、保温性能更佳的建筑以及在严寒和大雪中也能保持通畅的高速公路,并且与目前在除冰融雪中所采用的化学及加热方法相比,该技术效率更高也更为环保。相关论文发表在《美国化学学会·纳米》杂志网络版上。

  负责该项目的哈佛大学工程与应用科学学院的科学家乔安娜·艾森贝格和艾米·史密斯·贝利尔表示,其最初的灵感来自于自然界。

  艾森贝格说:“一些动物和昆虫解决问题的方案让我们着迷,例如,蚊子能够防止自己的眼睛起雾,水黾(一种水生半翅目类昆虫,俗称水板凳)能够借助脚上的油质细毛防止水的侵入,从而完美地漂浮在水面。因此,我们希望采取一种与以往完全不同的策略和设计来使材料具有天然的抗结冰能力。”

  “从过去的研究中,我们意识到冰的形成并非一个静态过程,要解决结冰问题,必须详细了解冰在物体表面形成的整个动态过程,并据此找出应对策略。在严寒的环境中冰冻起始于液滴与物体表面的撞击,但很少有人知道当液滴在极低的温度中与物体表面碰撞后具体发生了什么。”艾森贝格说。

  实验中,研究人员用高速摄像机对低温下液滴撞击物体表面继而结冰的过程进行了拍摄。经过分析后他们发现,当液滴撞击到纳米材料表面后,首先会发生延展,而后出现反弹,继而形成一个球形,在略微离开物体表面后又会再次回来,之后结冰的过程才会开始。相比之下,在一个光滑的、没有特殊结构性能的表面,液滴会在撞击后保持分散状态继而开始结冰。因此,研究人员推断物体表面的微观结构能在相当大的程度上对液滴的动态行为产生影响,改变这一结构或许能创造一种防止结冰的新型材料。

  论文第一作者雷蒂亚·米苏汉克对这一设想进行了验证,制作了包括毛刷状、刀刃状以及蜂窝状在内的多种形状和尺寸的表面。最终发现,以相互链接的方式组成的结构非常稳定,能够经受住水滴高强度的冲击,就如同在大雨中行驶的汽车或是飞行中的飞机所遇到的那种情况。实验表明,由于这种材料与水滴的接触面积减少,能够防止水滴侵入,即便形成冰后其底座也极不牢固,很容易去除。覆盖有这种纳米结构金属表面甚至能够在零下25摄氏度到零下30摄氏度的低温下保持干洁状态而不发生结冰现象。

  研究人员称,与传统的抛洒化学融雪剂以及加热的方式相比,纳米材料的优势显而易见,它无毒更环保。并且随着认识程度的深入和技术的进一步改进,这种新型涂层材料将有望被集成到多种材料之上,实现商业化生产。